来源 | ACS nano

链接 | https://doi.org/10.1021/acsnano.5c11221

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背景介绍

个人热管理系统在提升能源效率与可持续性方面扮演着关键角色，它通过精确调节人体温度，减少对高能耗采暖、通风和空调系统的依赖。然而，传统纺织品难以动态响应快速变化的环境温度，无法在严寒或酷热等极端条件下维持稳定的生理微气候。现有相变纤维普遍存在潜热容量低、相变材料易泄漏、机械强度不足以及仅能实现单向热调节等问题，严重限制了其在实际应用中的效能与耐久性。

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成果掠影

近日，北京大学张锦院士、邵元龙研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张永毅副研究员和苏州大学程涛教授合作提出了一种创新解决方案：通过溶剂调控的凝固浴工艺，将聚乙二醇作为相变材料封装于连续碳纳米管网络中，成功制备出高性能相变纤维。该纤维在优化乙醇/水比例后，展现出145.2 J/g的高相变焓、487.0 MPa的强劲拉伸强度与59.3 W·m⁻¹·K⁻¹的优异导热性能。同时，其具备0.62 MS/m的导电性，可实现被动相变缓冲与主动焦耳加热的双模式热管理，并在500次热循环后仍保持99.4%的焓值稳定性，展现出卓越的循环耐久性与纺织加工适应性，还可编织成 30 cm×150 cm 的大面积织物，为下一代可穿戴个人热管理（PTM）系统提供了变革性解决方案。研究成果“Fabricating Thermoconductive Phase-Change Fiber via Solvent-Regulated Encapsulation in Carbon Nanotube Network”为题发表在《ACS nano》。

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图文导读

图1. PEG/CNTFs的制备、形态和性质 a, PEG/CNTFs一步连续制备过程的示意图。 b, PEG/CNTFs束的数字照片。 c, 用于编织的PEG/CNTFs纱线的数字照片。 d, 通过冷冻聚焦离子束扫描电镜获得的PEG/CNTF横截面SEM图像，附宏观形态插图。 e–g, PEG/CNTF横截面透射电镜图像，显示CNTs与PEG之间的界面区域。 h, 不同相变纤维的拉伸强度与相变焓比较。

图2. 溶剂调控封装策略与性能优化 a, 乙醇含量对凝固与渗透过程影响的示意图。 b–d, 不同乙醇含量下纺丝PEG/CNTFs的横截面SEM图像，附宏观形态插图。 e, CNTFs与不同乙醇含量下PEG/CNTFs的热重分析结果。 f, 拉伸强度；g, 相变焓；h, 导热系数随乙醇含量的变化。 i, 热循环次数对相变温度与焓值的影响。 j, PEG/CNTFs(H₂O)与PEG/CNTFs(50wt%EtOH)性能雷达图。

图3. 溶剂调控封装机制的模拟与实验分析 a, 纯水、50 wt%乙醇与纯乙醇中PEG链的构象快照，标注端到端距离。 b, 不同溶剂中PEG链的回转半径随时间演变。 c, 粗粒度分子动力学模拟中PEG在CNT聚集体上的吸附构型。 d, 不同溶剂中PEG与CNT之间的径向分布函数。 e, PEG溶液与乙醇-水混合物在CNT表面接触角随乙醇含量的变化。 f, PEG微晶（120）与（032）*峰半高宽的变化，反映结晶有序度。

图4. 力学增强机制与结构表征 a, 多尺度结构在拉伸过程中的示意图。 b–d, PEG/CNTF(H₂O)、PEG/CNTF(50wt%EtOH)与PEG/CNTF(EtOH)的断裂边缘SEM图像。 e, PEG/CNTFs的应力松弛行为。 f, 广角X射线散射图谱；g, 方位角强度分布。 h, 半高宽比较；i, 纤维中CNT的取向度。

图5. PEG/CNTFs织物及其热管理性能 a, 双功能织物用于个人热管理的示意图。 b, 30 cm × 150 cm大面积PEG/CNTFs织物的数字照片。 c, 织物局部放大照片；d, 织物SEM图像。 e, 织物在抓握、折叠、扭转与拉伸等机械变形下的照片。 f, 绣花纺织品在成衣上的照片。 g, PEG/CNTFs织物与CNTFs织物在焦耳加热循环中的红外热像图。 h, 两种织物在焦耳加热过程中的温度变化曲线。