文獻前沿丨Chem. Eng. J.：具備固-固相變特性的多功能納米纖維膜，用于自適應個人熱管理

人體皮膚和衣服之間的微氣候環境是維持生理熱濕平衡的主要界面，其動態穩定性直接影響熱舒適性、身體機能甚至健康狀態。然而，傳統紡織品主要依賴被動隔熱機制，缺乏對環境溫度變化的自動調節能力，難以在復雜環境中穩定維持人體的核心體溫，從而增加患熱相關疾病的風險。智能紡織品可動態調節自身結構與功能以適應溫度、濕度、光照等環境刺激。通過智能紡織品維持人體動態微氣候，對人體健康和認知表現具有重要生理意義。目前，許多智能紡織品利用固‐液相變材料(phase change materials，PCM)通過潛熱吸收與釋放來進行熱緩沖。然而，相變材料在融化時易發生泄露問題，導致熱調節功能嚴重下降。此前，研究人員通常會采取多孔吸附或微膠囊化的方式對相變材料進行封裝，但是這些封裝方法在長期使用過程中存在穩定性不足的問題，并未解決相變材料容易泄露的問題。為此，本文提出將分子共價接枝與納米結構工程相結合的方法，把固-固相變材料solid–solid phase change materials，SSPCMs）與電紡納米材料集成在一起，，制備出無泄漏、超穩定的固態相變納米纖維膜（solid-solid phase change nanofibers，SSPCFs）。該方法通過分子共價接枝將聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）相變單元錨定在聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）主鏈上，并進一步通過靜電紡絲構建具有多孔結構的納米纖維網絡，從而獲得兼具無泄漏、高相變焓、超疏水性以及優異的機械穩定性的多功能纖維膜。該纖維膜具有穩定的雙向熱管理能力，吸熱區間為 27.8–42.9 ℃，放熱區間為 5.1–21.2 ℃，兩者相互補充，可有效覆蓋人體熱舒適溫度范圍。同時，該材料還具有優異的水分管理能力，其水接觸角達到 159.3°，耐靜水壓超過 92.7 kPa，水蒸氣透過率可達 11.66 kg·m?2·d?1。該研究為智能熱管理紡織品提供了一種可規模化制備的穩定材料體系，為下一代可穿戴熱濕調控材料的發展提供了新的設計思路。

相關工作以Engineered multifunctional nanofibrous membranes with solid-solid phase change for adaptive personal thermal management為題發表在Chemical Engineering Journal期刊。

為了解決傳統相變材料易泄露、耐久性差的問題，本研究采用分子共價接枝策略，將 PEG固態相變單元固定于TPU主鏈上，通過單步靜電紡絲制備出固態-固態相變納米纖維膜（SSPCFs）（圖1）。通過調節N,N-二甲基乙酰胺（N,N-dimethylacetamide，DMAc）與四氫呋喃（Tetrahydrofuran，THF）溶劑比例和TPU含量，SSPCFs形成了連續均勻的三維纖維網絡（圖2），使孔徑分布控制在0.25–0.39 μm，孔隙率可達78.2%，保證了蒸汽的快速傳輸和阻止水的滲入。在此基礎上，研究人員對SSPCF的防水性、透濕性和機械性進行了定量評估（圖3）。評估結果表明，SSPCFs具有超疏水特性，水接觸角最高達159.3°。同時，該膜還具有比較高的防水壓力（92.7 kPa）、出色的水蒸氣透過率（11.66 kg m?2 d?1）以及良好的強度和柔韌性。研究人員對材料的相變儲熱性能及熱調控能力進行了系統表征（圖4）。差示掃描量熱法（Differential scanning calorimetry，DSC）測試結果表明，SSPCF-3的相變潛熱達到83.4 J g?1吸熱區間為27.8–42.9°C，放熱區間為5.1–21.2°C，可有效覆蓋人體熱舒適范圍。熱循環測試結果顯示材料在100次循環后仍保持超過99%的潛熱儲存能力，表現出優異的熱穩定性。該研究通過結構設計與材料工程的協同作用，實現了穩定相變儲能、防水透濕及耐久性能的高度集成，為智能可穿戴熱濕管理紡織品提供了新的設計思路。

圖1. (a) SSPCMs的合成結構示意圖。(b) SSPCMs在加熱/冷卻循環中的工作機理。(c) SSPCF的制備示意圖。(d)大尺寸SSPCF的實拍圖。(e)不同環境下SSPCF的熱調控（儲熱/釋熱）與濕度管理（汗液蒸發）示意圖。(f)不同環境溫度下SSPCF與TPU的熱調控性能對比。(g) SSPCF的透氣性與透濕性。

圖2.不同比例DMAc/THF混合溶劑制備的SSPCFs的SEM圖像：(a)純N,N-二甲基乙酰胺（上）和純四氫呋喃（下）；(b) 1:2；(c) 2:1；(d) 1:1。(e) N,N -二甲基乙酰胺/固-固相變材料（SSPCM）、四氫呋喃/SSPCM及N,N -二甲基乙酰胺/H?O的分子模型；(f)上述體系的相互作用能。(g)三維（3D）靜電場分布（左）與射流速度分布（右）。(h)溶液性質：電荷密度與黏度。(i)模擬參數：混合溶劑體系中的電場力（F）與射流速度（V）。(j)孔徑分布；(k)最大孔徑與平均孔徑；(l)TPU共混膜的膜孔隙率。

圖3. (a) SSPCF膜的防水性能演示。(b)多孔膜的防水與透濕機理。(c)光學輪廓儀圖像。(d)不同TPU混合比例的SSPCF膜的算術平均粗糙度（Ra）與水接觸角。(e)不同TPU混合比例的SSPCF膜的拒液性與透濕性。(f) SSPCF膜的拉伸應力-應變曲線。(g) SSPCF-3膜在1000次拉伸加載-卸載循環中的耐久性。(h)反復洗滌后SSPCF-3膜的水接觸角、透濕量與耐靜水壓。

圖4. (a)聚乙二醇（PEG）與不同質量比SSPCFs的結晶DSC曲線；(b)其熔融DSC曲線。(c) SSPCF膜的焓值。(d)不同質量比SSPCFs的TGA。(e)熱循環穩定性：SSPCF-3經100次循環后的DSC曲線。(f) SSPCF-3在一次加熱-冷卻循環中的溫度-時間曲線。(g) SSPCF-3在熱循環過程中的紅外熱成像圖。(h)焓值、防水性及透濕性與已報道材料的對比。

小結：綜上所述，本研究突破傳統相變材料的封裝策略，提出了一種分子工程化的共價接枝方法，將聚乙二醇（PEG）相變單元固定在熱塑性聚氨酯線性網絡中。該方法將相變過程完全限制在固態框架內，從根本上解決了傳統相變材料在固–液轉變過程中易發生泄漏的問題。結合單步靜電紡絲技術，成功制備出固–固相變納米纖維（SSPCFs）。該材料同時具備三大核心功能：第一，材料具有穩定的雙向熱管理能力，其相變焓高達 83.4 J g?1。吸熱區間為 27.8–42.9 ℃，放熱區間為 5.1–21.2 ℃，兩者相互補充，可完全覆蓋人體熱舒適溫度范圍。第二，材料具有良好的環境防護性能，其水接觸角為 159.3°，耐靜水壓超過 92.7 kPa，水蒸氣透過率達到 11.66 kg m?2 d?1。第三，該材料具有優異的耐久性。在100 次熱循環后，相變焓保持率達 99%。在 30 次洗滌后，整體性能仍可保持 98.5% 以上。這種新型相變材料通過消除不可避免的液 - 固界面，從根本上解決了傳統固–液相變材料長期存在的泄漏問題。同時，結合設計的微納結構，該材料能夠同時滿足智能紡織品對實時溫度調控、環境適應性以及長期穩定性的多重需求，從而突破了熱響應紡織品長期面臨的技術瓶頸。該技術在智能醫療敷料和自適應運動服裝等領域具有巨大的應用潛力。例如，在醫療敷料中可實現傷口溫度的動態維持，在運動服裝中可實現熱濕協同調控。結合其可規?；闹苽渎窂?，該技術有望在醫療健康和可穿戴電子領域推動個性化熱管理技術的發展。

論文信息：.Ni, Haiyan, et al. "Engineered multifunctional nanofibrous membranes with solid-solid phase change for adaptive personal thermal management."Chemical Engineering Journal (2026): 173144.

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