仿生螺旋微纳米纤维海绵的制备及其超弹可洗与高效隔热性能研究

为解决极端寒冷环境下传统隔热材料机械性能与隔热性能难以平衡的问题，研究人员通过多射流静电纺丝技术构建了基于仿生螺旋纤维的超弹性可洗微纳米纤维海绵（MNFS）。该材料具有24.85 mW m-1 K-1的超低导热系数，可承受200%拉伸应变和1000次压缩循环，且在液氮（-196°C）中仍保持弹性，为航空航天、建筑隔热等领域提供了新型解决方案。

　　

在极端寒冷环境中，人体体温调节系统易受损害，而传统隔热材料如羊毛、羽绒等存在吸湿后性能下降、合成纤维厚重等问题。现有静电纺丝纤维虽具潜力，但二维堆叠特性限制了其孔隙率和厚度，且机械性能不足。受黄瓜卷须螺旋结构的启发，东华大学团队在《Nano-Micro Letters》发表研究，通过调控PVDF（聚偏氟乙烯）溶液导电性和丙酮挥发速率，实现多射流喷射与多级鞭动不稳定性，直接组装出仿生螺旋微纳米纤维海绵（MNFS）。

关键技术包括：1）通过LiCl调控溶液导电性实现多射流静电纺丝；2）利用丙酮/DMAc混合溶剂调控相分离速率形成螺旋纤维；3）采用动态机械分析（DMA）和热常数分析仪（TPS2500）分别测试力学与导热性能；4）通过扫描电镜（SEM）和密度泛函理论（DFT）表征多级孔结构。

3.1 设计策略与制备

研究通过模仿黄瓜卷须的螺旋形态（图1a），利用多射流静电纺丝技术（图1b）制备出密度仅7.1 mg cm^-3、孔隙率99.6%的MNFS。SEM显示纤维表面粗糙且具有内部多孔结构（图1d-f），赋予材料142°疏水角（图1c）。

3.2 螺旋纤维的形成与结构

增加LiCl浓度至0.004 wt%时，溶液电导率升至25.0 μS cm^-1，引发多射流喷射（图2a-b）。40 wt%丙酮促使快速相分离，形成螺旋纤维（图2d），其BET表面积达9.39 m² g^-1（图2i）。

3.3 机械性能

单根螺旋纤维拉伸应变达500%（图3a），MNFS整体可承受200%拉伸（图3b）和80%压缩（图3c），1000次循环后仍保持58%应力（图3d）。液氮测试表明其低温稳定性（图S11b）。

3.4 隔热性能与可洗性

MNFS导热系数24.85 mW m^-1 K^-1（图4a），接近干燥空气。红外成像显示其表面温差比棉布高3.11°C（图4c）。经60次洗涤后导热系数仅增至33.3 mW m^-1 K^-1（图4h），UPF值超50+（表S3）。

结论指出，该研究首次通过直接静电纺丝组装仿生螺旋纤维海绵，解决了传统材料机械稳定性与隔热效率的矛盾。其分级孔结构通过延长热传导路径和克努森效应（Knudsen effect）抑制热对流，为可穿戴防护、建筑节能等领域提供了创新材料设计范式。