全球大范围严寒气候给公共卫生带来巨大压力，但绝大多数热防护材料仍存在轻量化与隔热性能难以兼顾、力学弹性差、隔热效果一般等缺陷。上海工程技术大学郑元生教授、徐渊强副教授提出一种三维拱形纤维海绵（3D-AFSs），采用湿度辅助静电纺丝工艺制备 PAN/PEG/ 尿素复合纺丝体系，再经氧化稳定化处理得到该材料。相关研究成果以“3D-arched fibrous sponge for high-performance thermal insulation”发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

纺丝过程中，湿度诱导相分离作用会生成卷曲纳米纤维；纤维相互嵌锁、粘结，形成多层拱形网络结构。该材料堆积密度极低（约 7 mg/m3）、孔隙率高达 99.3%，同时具备中等疏水性（水接触角约 108°）。改变尿素添加量可调控纺丝射流的吸水程度与离子电导率，进而精准调控纤维直径、纤维缠结程度以及孔道结构。

性能最优的三维拱形纤维海绵最低导热系数可达 0.019 W・m⁻¹・K⁻¹；在模拟人体皮肤测试平台中，该材料覆盖下的皮肤稳态温度高于静电纺丝膜、聚酯织物与羽绒。三维数值模拟与结构机理分析表明，材料优异的隔热性能来源于三方面：拱形纳米纤维层内部封存的静止空气、高度曲折的固体传热通路，以及大量反复存在的固 - 气界面。

该三维拱形纤维海绵还具备优异的力学稳定性，经受 200 次压缩循环后仍可保持原有形态。上述研究结果证明，本工艺具备规模化制备潜力，可产出可压缩、超轻质纤维海绵，能够有效阻隔热传导，适用于穿戴式、个人防寒热防护领域。

图 1 (a) 湿度辅助静电纺丝及后续氧化处理流程示意图，该工艺可制得具有互锁粘结卷曲纤维网络结构的三维拱形纤维海绵（3D-AFS）。(b) 超轻质 3D-AFS 置于狗尾草绒毛上的光学照片，插图为该材料的水接触角（WCA）测试图。(c–e) 不同放大倍数下 3D-AFS 的扫描电镜（SEM）图像。(f–g) 横截面实物照片，展示其拱形层状结构。(h) 3D-AFS 横截面微观扫描电镜图。(i) 拱形拓扑结构原理示意图。(j、k) 材料在拉伸、扭转、弯折及压缩载荷下的力学性能展示。(l) 热台有无覆盖厚度约 1 cm 的 3D-AFS 时的红外热成像图。  

图 2 (a–d) 前驱液中分别添加 0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g 尿素制得的三维拱形纤维海绵（3D-AFS）实物照片；随尿素添加量提升，材料蓬松度逐步降低。(e–h) 对应样品的扫描电镜（SEM）图像，插图为更高放大倍率下的微观形貌。(i) 纺丝射流行为与沉积产物对比示意图：纯 PAN 纺丝会生成致密堆积的纤维薄膜，而 PAN/PEG/ 尿素体系因射流鞭动效应增强、固化速度加快，可制得疏松缠结的三维纤维海绵。(j) 聚合物 / 溶剂 / 水三元相图，展示 PAN 溶液与 PAN/PEG/ 尿素纺丝液从均相区向分相不稳定区转变的演化路径。(k)、(l) 相同实验条件下，纯 PAN 纺丝液、PAN/PEG/ 尿素复合纺丝液的射流运动高速相机实拍图。  

图 3 (a) 分别添加 0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g 尿素制备的三维拱形纤维海绵（3D-AFS）的纤维直径分布。(b) 三维拱形纤维海绵与纯聚丙烯腈（PAN）薄膜的孔径分布对比。(c)、(d) 相对湿度 60%~70% 条件下，三维拱形纤维海绵的表观密度、孔隙率随尿素添加量的变化规律。(e) 聚丙烯腈（PAN）、聚乙二醇（PEG）、尿素以及三维拱形纤维海绵的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。(f) 氧化处理前后三维拱形纤维海绵的 X 射线衍射（XRD）图谱。(g) 氧化处理前后三维拱形纤维海绵的热重分析（TGA）曲线。(h) 峰值应力 0.01 MPa 下的循环压缩应力 - 应变曲线。(i) 尿素添加量为 0.4 g 的三维拱形纤维海绵的拉伸应力 - 应变曲线。  

图 4 (a) 模拟皮肤测试平台，包含直流电源、模拟皮肤加热片、泡沫基底、热电偶与温度采集系统。(b) 无覆盖材料时裸皮肤的红外热成像图，温度场分布均匀。(c) 覆盖不同尿素添加量的 3D-AFS 后，模拟皮肤的温度 - 时间变化曲线。(d) 不同尿素含量 3D-AFS 样品外表面的红外热成像图。(e) 3D-AFS 导热系数随尿素添加量的变化曲线。(f) 分别覆盖羽绒、3D-AFS、静电纺丝膜、聚酯织物后，模拟皮肤的温度 - 时间曲线。(g) 对应红外热成像图，可见羽绒与 3D-AFS 区域表面温度更低。(h) 本研究材料与各类代表性纤维隔热材料的导热系数 - 体积密度对比图。(i) 普通微纤维堆积材料与纳米纤维 3D-AFS 的三维温度场仿真结果。(j) 3D-AFS 多尺度抑热通量机理示意图：通过抑制气体导热、构建曲折固体传热通路、大量固 - 气界面多重阻热实现高效隔热。  

原文信息

Wang, F.; Zhu, B.; Xu, Y.; Yang, L.; Zeng, L.; Newton, M. A. A.; Gong, H.; Xin, B.; Zheng, Y. 3D-Arched Fibrous Sponge for High-Performance Thermal Insulation. Chemical Engineering Journal 2026, 532, 174509. https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174509.