第一作者：Zekun Cheng, Zhiwen Cui
通讯作者：Hui Wu、Lihao Zhao、Shanyu Zhao
通讯单位：清华大学、瑞士联邦材料科学技术实验室
论文doi：10.1038/s41893-025-01604-x
背景介绍
传统羽绒服产业面临严峻的可持续性挑战：生产1吨羽绒需消耗350-400吨水，20,000只鹅的养殖产生20,000吨粪便，导致水体富营养化与温室气体排放（CO₂超标46.76%）。活体拔绒还引发动物应激反应，皮质醇水平显著升高。现有合成保暖材料虽避免以上问题，但性能远不及天然羽绒——静电纺丝（ES）和溶液吹纺（SBS）制备的纳米纤维曲率低（<71°）、孔隙率不足（<98%），难以有效锁住空气进行隔热。本文受安哥拉山羊卷毛启发，创新性开发网格诱导均匀湍流纺丝（GHTS）技术，实现了高曲率纳米纤维（HCNFs）的大规模生产，为保暖材料领域提供环保替代方案。
本文亮点
1.首创湍流纺丝技术突破量产瓶颈：多孔网格诱导高速气流产生均匀湍流涡旋，通过涡对拉伸-折叠纳米纤维，实现曲率超120°（最高450°）、孔隙率达99.60%的HCNFs连续化生产，单孔效率达11.4 g/h，较传统纺丝提升10倍。
2.仿生结构赋予超强隔热性能：HCNFs密度仅6.86 mg/cm³，导热系数低至27.60 mW/m·K，优于安哥拉羊毛（29.98 mW/m·K）和羽绒（29.12 mW/m·K）；其三维卷曲结构延长热传导路径，增强热辐射☢️散射，在-20℃下保暖值（CLO）达0.31 CLO/mm，为850蓬松度羽绒的2倍。
3.全生命周期环保优势显著：以聚乙烯醇缩丁醛（PVB）为原料的HCNFs在14项环境指标中全面领先羽绒，其中8项环境影响不足羽绒的5%（如水资源消耗降95%，土地占用减98%），且溶剂可回收利用，支撑绿色循环经济。
图文解析
图1. 湍流纺丝机理与可持续性优势
要点：
图1揭示了GHTS系统核心机理：高速气流撞击网格表面纺丝液膜形成正弦状纺丝核，网格诱导的均匀湍流（GHT）产生多尺度涡旋，通过拉伸-折叠动力学使纤维卷曲。计算流体动力学（CFD）模拟显示，Q准则涡量场呈现各向同性随机涡旋结构（Q>0区域），验证湍流强度。关键环境评估数据表明，PVB-HCNFs在资源消耗（如矿物稀缺性指标仅为羽绒的1.36%）、生态系统影响（淡水富营养化降低95%）和人类健康（致癌毒性减少98%）三大类指标中显著占优。生命周期评估（LCA）证明，HCNFs回收可进一步降低化石资源消耗60%，凸显技术闭环可持续性。
图2. GHTS设备设计与纤维成形机制
要点：
设备创新摒弃传统针头依赖，采用多孔纺丝滚筒实现连续化生产：滚筒旋转将纺丝液持续输入网格孔，与高速气流相互作用形成湍流射流。高速摄像显示，4×4网格阵列使湍流动能从0.27提升至2.29 m²/s²，溶剂挥发加速导致射流长度缩短60%，纤维直径减小至200 nm以下。多孔布局促进涡旋相互作用，SEM图像证实HCNFs呈现均匀三维卷曲（曲率>120°），而单孔SBS系统仅产生线性射流。网格结构使层流在穿过孔阵后转变为均匀湍流（图2h,i），为大规模制备奠定基础。
图3. 高曲率结构的热力学机制
要点：
HCNFs的隔热性能源于独特仿生结构：卷曲纳米纤维形成封闭/半封闭气穴（图3f），抑制空气对流并延长固体热传导路径。曲率-孔隙率模型（CNPM）量化揭示曲率角增至180°时，孔隙率从70%跃升至99.6%（图3c），X射线🩻纳米CT三维重建显示HCNFs孔隙率（99.60%）高于羽绒（99.41%）和安哥拉羊毛（97.76%）。Stark-Fricke模型预测材料密度为10-16 mg/cm³时导热系数最低（27.60 mW/m·K），实验数据完美吻合。压缩测试表明HCNFs抗压弹性卓越：80%应变下应力达276.45 kPa，为羽绒的5.7倍，液氮处理后仍能完全回弹。
图4. 超保暖服装性能验证
要点：
实地测试验证HCNFs服装的全面优势：在-28℃漠河环境中，8.9 mm厚HCNFs服装（图4a）与18.45 mm厚羽绒服保温性能相当，体温仅降1.88℃（31.60→29.72℃），而同等厚度棉服降温达4.56℃。暴风雪环境（-10℃）下运动测试（图4e）显示，羽绒服穿戴者心率飙升至170 bpm，而HCNFs组峰值150 bpm且5分钟内恢复至90 bpm（图4f）。防水透气性突破显著：接触角>135°，透湿率5,625 g/m²·d（羽绒的1.5倍），2小时人工汗液测试中HCNFs内层保持干燥，而羽绒服出现渗透（图4g）。六维雷达图（图4i,j）综合对比证实HCNFs在成本、可持续性、舒适度等维度全面领先。
总结与展望
本研究开发的GHTS技术通过仿生湍流控制成功量产高曲率纳米纤维，解决了传统保暖材料的环境污染与性能瓶颈问题。HCNFs凭借99.6%孔隙率和27.60 mW/m·K超低导热系数，在极寒环境中展现出两倍于顶级羽绒的保暖效率，同时通过卷曲结构优化实现透气防水功能的协同提升。生命周期评估更揭示其颠覆性环保优势——在水资源消耗、土地占用等8项关键指标中环境影响不足羽绒的5%，为行业树立新标杆。
产业化应用已证实其巨大潜力：HCNFs原料成本仅2.4万美元💵/吨（羽绒13万美元💵），且量产效率达单孔11.4 g/h，配合滚筒式连续生产实现吨级产能。服装测试中表现出的抗压弹性（80%应变276 kPa）和极端环境稳定性（液氮可恢复），为其长效使用提供保障。多功能拓展性同样突出，除保暖服装外，在油污吸附、海水淡化等领域展现应用前景。
未来研究需聚焦三方面突破：深化湍流参数与纤维曲率的构效关系，建立智能调控模型；开发生物基聚合物替代PVB，进一步提升降解性；整合人工智能优化生产工艺，实现能耗动态监控与回收体系升级。该技术有望引领下一代可持续隔热材料变革，推动纺织业向"零动物伤害、零污染排放"目标迈进。
