一、研究背景

极端寒冷环境对人体健康和生产活动构成严峻挑战，开发高效、轻质且耐用的隔热材料已成为纺织、航空、建筑等领域的迫切需求。传统隔热材料，如羽绒、棉絮和合成纤维毡，往往难以兼顾轻量化、高效隔热性、机械强度及耐久性（如可洗涤性）。例如，天然材料虽保暖但怕潮、洗涤后性能骤降；而传统合成纤维则因直径粗、孔隙率低，隔热性能存在瓶颈。因此，通过创新材料设计与先进制备技术，构建兼具超弹、轻质、隔热且可重复清洗的新型纤维材料，具有重要的应用价值。

静电纺丝技术作为一种直接、高效的微纳米纤维制备方法，为开发此类先进材料提供了可能。传统静电纺丝多制备二维薄膜，孔隙率与厚度有限。为了获得高孔隙率的三维结构，研究者常采用冷冻干燥等后处理工艺对电纺纤维进行重构，但该过程耗时冗长，且所得材料往往因纤维间缺乏有效缠结而机械性能不佳，难以承受实际应用中的反复洗涤和力学形变。

近年来，多针头静电纺丝技术的发展为直接制备三维纤维海绵材料提供了新途径。该技术通过多射流并发、多级鞭动不稳定控制，能够实现纤维的原位纠缠与三维网络构建，从而避免了复杂的后处理步骤。例如，发表于《Nano-Micro Letter》的一项研究，便展示了利用多针头静电纺丝技术制备仿生螺旋结构纤维海绵的可行性。该研究通过调控溶液电导率与溶剂挥发性，成功实现了多射流喷射、快速相分离以及弹簧状纤维的形成，最终获得了超弹、轻质且可机洗的隔热海绵。这项研究举例说明了多针头静电纺丝技术在实现复杂纤维结构设计与高性能材料直接成型方面的巨大潜力。

然而，该类研究的成功严重依赖于精密、稳定且功能强大的静电纺丝设备。它要求设备不仅能够提供多通道、独立的溶液供给系统以实现多材料复合纺丝，还需具备精准的温湿度控制能力以调控溶剂挥发与相分离过程，同时高压电源的稳定性与收集装置的多样性也是获得均匀三维结构的关键。

在此背景下，E04多功能静电纺丝机的设计恰好满足上述前沿研究的设备需求。其配备的两组四针/八针阵列喷头，可支持多材料并行纺丝或同轴复合纺丝，为仿生多级结构的构建提供了硬件基础；其变频一体式制冷除湿系统能精确控制纺丝环境的温湿度，特别适用于需要调控相分离过程的实验，例如制备具有粗糙表面或内部孔隙的纤维；此外，其三通道注射泵、双高压电源以及多种收集装置（如滚筒、平板、平行电极等），为研究者探索复杂的工艺参数、实现纤维膜、纱线乃至三维海绵的多样化制备提供了极高的灵活性与可能性。

东华大学俞建勇教授及团队在《Nano-Micro Lett》.发表“超弹可洗仿生螺旋微纳纤维海绵”成果。团队利用多射流静电纺丝，一步构筑密度7.1 mg cm⁻³、拉伸200%的海绵，实现24.85 mW m⁻¹ K⁻¹隔热及60次水洗稳定，为极寒个人保暖及交通、建筑保温提供新方案。

二、创新亮点

本研究的主要创新点体现在以下几个方面：

1. 仿生结构设计理念

借鉴黄瓜卷须的弹簧状螺旋结构，首次通过静电纺丝技术直接构建具有类似螺旋形貌的微纳米纤维，并进一步组装成三维海绵体。这种仿生设计不仅赋予材料极高的弹性，还通过多级孔隙结构实现了优异的热隔离性能。

2. 多针头静电纺丝直接成型技术

摒弃传统的后处理重构工艺，通过调控溶液电导率（LiCl添加）和溶剂挥发性（丙酮比例），实现多股射流喷射、多级鞭动不稳定性和快速相分离，从而直接形成螺旋纤维并构建三维海绵。该方法简化了制备流程，提高了材料的结构一致性和可扩展性。

3. 卓越的力学性能

MNFS表现出前所未有的超弹性：可承受200%的拉伸应变、1000次循环压缩后仍保持良好回弹性，甚至在液氮（-196°C）环境中仍能迅速恢复形变。其力学性能远超多数传统隔热材料。

4. 高效隔热与可洗涤性

MNFS的热导率低至24.85 mW·m⁻¹·K⁻¹，接近静止空气，显著优于羽绒、涤纶毡和棉毡等材料。同时，其疏水表面（接触角142°）和稳定的纠缠网络结构使其具备优异的耐洗涤性能，洗涤60次后仍保持结构和隔热性能的稳定。

5. 多功能集成与环保潜力

材料具备抗紫外线、抗多种液体污染（咖啡、茶、果汁等）等特性，适用于极端环境下的个人防护、建筑保温、航空航天等领域，兼具环境友好与可持续性。

三、核心实验

3.1 材料制备与参数优化

本研究以聚偏氟乙烯（PVDF）为主要聚合物，通过添加LiCl调节溶液电导率，控制丙酮（AC）在DMAc/AC混合溶剂中的比例以调控挥发速率。最终确定最优制备条件为：

• PVDF浓度：18 wt%
• LiCl浓度：0.004 wt%
• AC浓度：40 wt%
• 纺丝电压：30 kV
• 接收距离：23 cm
• 环境温湿度：22°C，90% RH

3.2 纤维形貌与结构表征

通过SEM观察发现，添加LiCl后射流由单股变为多股，纤维由直变曲，最终形成具有粗糙表面的弹簧状螺旋结构。BET和DFT分析表明，40% AC条件下制备的纤维具有最高的比表面积（9.39 m²/g）和孔容（0.09 cm³/g），孔隙呈三峰分布（微孔、中孔、大孔），有利于隔热性能的提升。

3.3 力学性能测试

• 单纤维拉伸：螺旋纤维的断裂伸长率达500%，高于直纤维（400%），拉伸强度分别为210 MPa和175 MPa。
• 海绵拉伸与压缩：MNFS可承受200%拉伸应变和80%压缩应变，1000次循环后仍保持58%的最大应力和极小塑性变形。
• 低温性能：在液氮中压缩后仍能瞬间回弹，显示极佳的低温柔韧性。

3.4 隔热性能评估

• 热导率测试：MNFS的热导率为24.85 mW·m⁻¹·K⁻¹，接近干空气，低于多数商用隔热材料。
• 红外热成像：覆盖MNFS的手掌表面温度较裸掌低9.44°C，优于PET（7.55°C）和棉（6.33°C）。
• 冷环境模拟：在3°C环境中包裹热源后，MNFS组温度下降最慢，ΔT最小，表明其隔热性能最优。

3.5 耐洗涤与环境稳定性

• 洗涤测试：经过10次洗涤循环后，压缩应力保持77%，拉伸应力保持84%，WCA仍维持在140°左右。
• 湿热稳定性：在不同湿度环境下热导率变化不大，显示其环境适应性。
• 抗紫外与户外暴露：UPF超过50+，户外暴露4天后无黄化、老化现象，机械与隔热性能稳定。

图文解读

图 1：MNFS 的设计策略、结构与性能

该图展示了微纳米纤维海绵（MNFS）的设计灵感、制备过程及核心性能。左上方呈现黄瓜卷须的照片，体现仿生设计来源；中间是多射流静电纺丝制备 MNFS 的示意图；右侧展示 MNFS 能自立于花蕊上，体现低密度（7.1mg/cm³），且水接触角达 142° 显疏水性；还包含其不同放大倍数的微观结构、200% 拉伸性能、水下压缩恢复性，以及洗涤前后与羽绒的隔热对比，另有大尺寸（60cm×38cm×2cm）MNFS 的实物图，证明规模化制备可能。

图 2：螺旋纤维的形成调控

此图聚焦螺旋纤维的形成条件与结构特征。包含不同 LiCl 浓度下纤维的 SEM 图，0wt% 时为单射流直纤维，0.004wt% 时为多射流卷曲纤维；还展示了不同 LiCl 和丙酮浓度下溶液的电导率数据，以及 40wt% 丙酮时纤维的螺旋结构与粗糙表面；另有螺旋纤维形成机制示意图、PVDF 相关三元相图，还有不同丙酮浓度下纤维的氮气吸附 - 脱附曲线、DFT 孔径分布及 BET 比表面积与孔体积对比，明确 0.004wt% LiCl 和 40wt% 丙酮是最优制备条件。

 

图 3：MNFS 的力学特性

该图通过多种测试数据呈现 MNFS 的力学性能。包含单根直纤维与螺旋纤维的伸长率和拉伸强度对比，螺旋纤维性能更优；MNFS 在 50%-200% 拉伸应变下的应力 - 应变曲线，及 80% 压缩应变下的形变与恢复；1000 次 50% 压缩循环测试中应力、弹性模量等变化，显示疲劳抗性；不同频率下的储能模量、损耗模量和阻尼比，体现粘弹性稳定；还有螺旋纤维拉伸恢复、MNFS 压缩恢复的原位 SEM 图，及力学增强机制示意图。

 

图 4：MNFS 的隔热性能与耐洗性

此图综合展示 MNFS 的隔热效果与耐洗特性。左上方对比 MNFS 与其他蓬松纤维材料的热导率和密度，其热导率低至 24.85mW・m⁻¹・K⁻¹；包含 MNFS 隔热机制示意图，解释其抑制热传递的原理；还有覆盖 MNFS、PET 毡、棉毡的手掌红外图，及模拟冷环境下包裹热水管的温度变化，证明其隔热优势；另有不同液体在 MNFS 表面的接触角，显示疏液性；10 次洗涤循环后 MNFS 的压缩应力 - 应变曲线，及洗涤前后热导率与水接触角变化，体现耐洗性。

 

四、结论与展望

本研究成功通过多针头静电纺丝技术，制备出具有仿生螺旋结构的超弹可洗微纳米纤维海绵（MNFS）。该材料具备轻质（7.1 mg/cm³）、高孔隙率（99.6%）、超弹性（200%拉伸应变）、低热导率（24.85 mW·m⁻¹·K⁻¹）和优异的环境稳定性，在极端寒冷环境下表现出卓越的隔热性能和耐用性。

其成功制备得益于对溶液电导率、溶剂挥发性和纺丝工艺的精准调控，尤其是多股射流、多级鞭动和快速相分离的协同作用，直接构建出三维纠缠网络结构。这一策略为未来开发高性能纤维材料提供了新思路。

与E04设备的结合展望：
E04多功能静电纺丝机具备多针头、同轴纺丝、温湿度精准控制、多通道注射等先进功能，非常适用于此类复杂材料的制备。未来可进一步利用其纳米纺纱、静电喷雾、气流辅助纺丝等扩展功能，实现MNFS的多功能化、复合化甚至智能化升级，例如集成相变材料、导电纤维或传感单元，开发出自适应调温、健康监测一体化的智能纺织材料。