引言

随着全球对可持续发展和环境保护的重视，传统动物羽毛（如鹅绒、鸭绒）作为隔热材料的局限性日益凸显。其生产过程不仅涉及动物福利问题，还伴随高污染、高能耗（如每吨羽绒需消耗350–400吨水，并产生大量温室气体）。因此，开发仿生合成材料以替代动物羽毛成为研究热点。然而，现有纳米纤维的制备技术（如静电纺丝、溶液吹纺）难以高效生产具有高曲率结构的纤维，导致其隔热性能与舒适性无法满足高端需求。

清华大学吴慧教授、赵立豪教授与瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）赵善宇研究员团队联合发布于《Nature Sustainability》(IF=25.7)的一项研究，提出了一种仿生结构的高曲率纳米纤维（HCNFs）新材料，成功模拟安哥拉山羊的卷曲毛发结构，并创新性开发出一种无需针头的新型制备技术——网格诱导均匀湍流纺丝（GHTS）。研究表明，该材料在保暖性、透气性、环保性和成本控制方面均显著优于目前主流的850蓬松度鹅绒，有望成为服装及功能材料领域替代羽绒的新一代绿色热绝缘解决方案。

创新亮点

1.突破性的制造技术：无针网格诱导湍流纺丝（GHTS）

研究团队提出一种全新的纤维制造技术——Grid-induced Homogeneous Turbulence Spinning (GHTS)：

• 摒弃传统静电纺/溶液喷吹中使用的“针头结构”，改为多孔滚筒 + 高速气流；

• 诱导强烈湍流，促使纳米纤维高效卷曲；

• 可实现高通量、连续化、机械化生产；

• 更适合工业规模量产，显著提升效率（比SBS高10倍）；

• 可适用于20+种高分子与陶瓷材料（PLA, PVB, PVA, PAN, TiO₂等）；

2.高曲率纳米纤维（HCNFs）：仿生安哥拉山羊毛

天然保暖毛发（如安哥拉山羊毛）之所以保暖，是因其高卷曲度和高空隙率。本研究制备出的HCNFs具备：

• 平均卷曲角：123°（> SBS的71°，ES的48°）；

• 孔隙率高达99.60%，极佳的蓬松性；

• 热导率低至27.60 mW/(m·K)，优于鹅绒、棉、普通静电纺材料；

• 平均纤维直径仅199nm，提升空气滑移效应，提高透气性与水汽扩散能力。

3. 热工性能突破：更轻、更暖、更舒适

• 热阻（CLO值）提升2倍：0.311 CLO/mm > 850FP鹅绒（0.154 CLO/mm）；

• 同样保暖性条件下，所需厚度减半；

• 在–28°C的极端环境中，保持人体核心温度比棉或羽绒更稳定；

• 优异的回弹性与压缩恢复能力，压缩200次后仍可保形；

4. 多功能舒适性设计

• 透气性与防水性：透气性（54.82 mm s⁻¹）和透湿性（5,625.43 g m⁻² d⁻¹）显著优于羽绒，接触角>135°，具备疏水特性。

• 极端环境适用性：在-28°C的漠河测试中，HCNFs服装的保温性能与更厚的羽绒服相当，且运动后心率恢复更快（5分钟内降至90 b.p.m.，羽绒服为170 b.p.m.）。

5. 显著的可持续性优势

• 生命周期评估（LCA）：与鹅绒相比，HCNFs在14项环境指标中表现更优，其中8项（如水资源消耗、土地占用）的环境影响不足鹅绒的5%。

• 绿色工艺：溶剂（乙醇）可回收利用，减少废弃物排放，生产过程无动物伤害。

6. 材料普适性与应用扩展

• 多材料兼容：成功制备PVB、PMMA、PLA、陶瓷（SiO₂、Al₂O₃）等近20种HCNFs，并可添加染料实现色彩定制。

• 跨界潜力：除服装外，还可用于过滤、催化、海水淡化及生物医学止血等领域。

图文解析

图1：GHTS系统的机制与可持续性评估

该图展示了GHTS（Grid-induced Homogeneous Turbulence Spinning）系统的工作机制，包括高速气流冲击纺丝液膜形成高度卷曲的纳米纤维（HCNFs）的过程。计算流体动力学（CFD）模拟揭示出湍流中丰富的多尺度旋涡有助于纤维的卷曲和拉伸。同时，生命周期评估（LCA）结果表明，HCNFs在水资源消耗、土地使用、人类毒性和生态影响等14项环境指标上显著优于鹅绒，部分指标降幅超过95%。

 

 

图2：GHTS装置结构与高曲率纳米纤维的形成过程

该图详解了GHTS设备的结构与工作流程：由多孔滚筒、送料系统和高速气流喷头组成，通过滚筒旋转将纺丝液导入气流，实现多喷口同步喷射。高帧率视频和CFD模拟显示，流场从层流快速转变为湍流，纳米纤维在湍流涡旋中快速拉伸、卷曲、成型，形成高曲率的纤维网络，显著提升生产效率和纤维结构复杂度。

 

图3：HCNFs的热学性能、卷曲度和结构优势

该图比较了HCNFs与传统热绝缘材料（如鹅绒、安哥拉山羊毛等）在热导率、密度和孔隙率方面的性能，展示了HCNFs因其高卷曲角和纳米尺度结构，在热阻、气密性和散热抑制方面表现优异。新提出的CNPM模型定量描述了卷曲角与孔隙率之间的关系，同时通过X射线纳米CT和压缩恢复测试验证了HCNFs的蓬松性、形态保持力和出色的保暖性能。

 

图4：HCNF服装的实际保暖、透气与运动安全性能验证

该图通过红外热成像、实地寒冷环境测试、雪暴场景实验和人体运动试验，全方位评估HCNF服装的保暖性能。结果显示，HCNF服装在–28°C极端环境下依然保持良好体温，运动后心率上升幅度小，透气性、排湿性、抗汗渗透能力远超鹅绒与棉服。此外，HCNF服装具备更高的CLO值、更轻的重量与更高的穿着舒适度，是下一代高性能热绝缘衣物的理想选择。

 

表格1：HCNF服装 vs 850-FP鹅绒服装的关键性能对比

该表格系统比较了本研究提出的HCNF（高曲率纳米纤维）服装与传统高品质850蓬松度鹅绒服装在六项关键服装热绝缘性能指标上的差异，HCNF服装全面优于鹅绒服装，特别是在保暖性、透气性、湿气调节能力和环境可持续性方面；热绝缘效率（CLO值）提升超2倍，而厚度更薄、重量更轻；在可持续性评估中，HCNF在14项环境指标中均表现优越，是名副其实的下一代绿色保暖材料。

总结与展望

本研究提出了一种基于仿生理念的高曲率纳米纤维（HCNFs）制备方法，通过创新的无针网格诱导湍流纺丝（GHTS）系统，实现了高效率、可持续、可扩展的纳米纤维量产工艺。制得的HCNFs在保暖性、透气性、湿气调节、机械强度和环保性能等方面全面优于传统鹅绒，展示出极大的商业应用潜力。未来，HCNFs不仅有望彻底替代动物羽绒，推动服装产业绿色转型，还具备在隔热材料、空气过滤、生物医疗、海水淡化等多领域拓展应用的可能。结合人工智能在生产优化与闭环回收方面的加持，该技术有望成为构建智能、环保、新一代高性能功能材料平台的核心引擎。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41893-025-01604-x