科學(xué)家開發(fā)新型可穿著相變材料，隔熱媲美羽絨，還能自動調(diào)溫

在一次雨天進行的實驗中，預(yù)期鋪展成薄膜的聚丙烯腈纖維，卻意外堆積成一團氣凝膠狀的結(jié)構(gòu)。這一曾被擱置的發(fā)現(xiàn)，后續(xù)成為一種新材料的骨架。將它與相變材料結(jié)合后，不僅具備了棉花般蓬松柔軟的手感，保暖效果更可媲美羽絨，而且還能主動調(diào)溫。

這種材料被命名為相變纖維氣凝膠（PCFA），由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）史全研究員團隊研發(fā)而成。相關(guān)成果近日發(fā)表于美國化學(xué)會期刊《美國化學(xué)會能源快報》（ACS Energy Letters）。

會放熱的纖維，為什么留不住熱

近十年來，人體熱管理成為材料領(lǐng)域的研究熱點，但能同時兼顧保暖與調(diào)溫的織物并不多見。

談及切入相變纖維研究的初衷，史全研究員告訴 DeepTech，契機源于一個簡單的設(shè)想，他們希望能讓原本質(zhì)地剛硬、易泄露的相變材料，變得像衣服布料一樣柔軟、舒適、安全。

相變材料（PCM）是一類在固液轉(zhuǎn)換時能夠吸收或釋放大量潛熱、且自身溫度基本不變的物質(zhì)。若能找到一種熔點落在人體舒適區(qū)的 PCM 應(yīng)用于衣物，理論上便可實現(xiàn)自動調(diào)溫。圍繞這一思路，學(xué)界已發(fā)展出兩條主要技術(shù)路線：用靜電紡絲直接制造相變纖維薄膜，或用濕法紡絲生產(chǎn)出可進一步編織加工的相變纖維。

團隊此前已在濕法紡絲和可編織固-固相變纖維領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗，掌握了穩(wěn)定可控的紡絲工藝與封裝策略。但應(yīng)對寒冷環(huán)境，團隊發(fā)現(xiàn)相變纖維雖然能夠放熱，但熱量會通過纖維骨架快速散失，保溫成為材料的短板。

自然界和工業(yè)界有不少成熟的保暖方案：棉花、羽絨憑借蓬松結(jié)構(gòu)鎖住靜止空氣，而空氣本身就是極佳的隔熱介質(zhì)；合成纖維氣凝膠則利用超高孔隙率達到接近靜止空氣的隔熱水平，是當(dāng)前最好的隔熱材料之一。

但在團隊看來，這兩種方案各有缺陷，天然纖維怕水，棉花吸濕受潮后結(jié)構(gòu)塌陷，保暖性能驟降，濕透的棉衣在低溫下甚至?xí)铀偃梭w失溫；合成纖維氣凝膠雖具備較好的疏水性，然而上述方案都聚焦于隔熱，并不涉及調(diào)溫功能。

研究者由此提出了一個理想化的假設(shè)：如果相變纖維擁有了類似棉花的蓬松結(jié)構(gòu)，就能同時保留調(diào)溫能力與隔熱性能，成為一種“完美”的低溫環(huán)境下人體熱管理材料。

圖 | 棉花般蓬松的相變纖維（來源：ACS Energy Letters）

“朝花夕拾”，撿起幾年前的意外發(fā)現(xiàn)

如何實現(xiàn)？團隊突然想到他們曾經(jīng)做過的一次聚丙烯腈（PAN）靜電紡絲實驗。史全研究員回憶，當(dāng)時團隊的目標(biāo)本是制備纖維薄膜，但在一次陰雨天開展的實驗中，PAN 纖維并未像往常那樣鋪展成致密薄膜，而是不斷堆積，最終形成了一種蓬松的氣凝膠結(jié)構(gòu)。

經(jīng)文獻調(diào)研和機理分析，他們找到了背后的原因。這次實驗意外實際上是一種被稱為高濕度電紡的技術(shù)機制：PAN 等疏水性較強的聚合物，在高濕度下容易發(fā)生相分離，空氣中的水分與纖維里的溶劑快速交換，誘導(dǎo)聚合物析出，從而使纖維間形成大量孔隙。

由于這一結(jié)構(gòu)與當(dāng)時的制備目標(biāo)不符，團隊并未繼續(xù)深入。直到幾年后啟動相變纖維氣凝膠課題時，他們才重新發(fā)現(xiàn)了這個蓬松骨架的價值——它恰好具備優(yōu)良的隔熱基礎(chǔ)。雖然存在回彈較差，缺乏結(jié)構(gòu)支撐等力學(xué)缺陷，但團隊認為可通過復(fù)合策略加以彌補：只需引入一種有彈性的搭檔材料，二者共紡，即可有效改善力學(xué)性能。

要找到合適的配對材料并不容易。團隊系統(tǒng)篩選了一系列聚合物材料體系，反復(fù)調(diào)整紡絲參數(shù)和共混比例。

史全告訴 DeepTech，這一步是整個研究中最具挑戰(zhàn)的環(huán)節(jié)：方向雖然明確，但依然走了不少彎路。在紡出大量失敗的纖維薄膜后，團隊最終確定了 PAN 和熱塑性聚氨酯（TPU，一種兼具橡膠彈性和塑料強度的聚合物）的組合方案。其中，PAN 負責(zé)建構(gòu)三維骨架，TPU 則承擔(dān)可逆回彈的功能。

蓬松的隔熱骨架成型后，下一步便是給材料加入可調(diào)溫的相變功能。史全團隊先后嘗試了多種紡絲方案，試圖讓相變材料復(fù)合到氣凝膠纖維中。但二者親和性較差，極易導(dǎo)致纖維坍塌、破損，甚至泄漏，且均沒能兼顧“工藝簡單可放大、隔熱調(diào)溫一體、力學(xué)耐久”的綜合要求。

因此團隊轉(zhuǎn)向技術(shù)路線較為成熟的相變微膠囊策略：核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計將相變材料嚴密包裹在芯層內(nèi)部，既能有效隔絕外界環(huán)境，又能從根本上避免泄露風(fēng)險以及與聚合物的不良相互作用。團隊選擇了一種相變溫度在 26℃ 左右相變微膠囊材料，調(diào)溫范圍正好是人體感到舒適的溫度區(qū)間。

材料的雙重封裝由此初具雛形：先用一層殼護住相變材料，再通過靜電紡絲將微膠囊進一步裹入纖維之中。實驗表明，這一策略顯著提升了材料的儲熱穩(wěn)定性，有效抑制了相變材料的泄漏，同時也減輕了其對整體纖維力學(xué)性能的不利影響。

導(dǎo)熱接近靜止空氣，循環(huán)一千次還能保持優(yōu)越性能

隔熱是 PCFA 最突出的性能優(yōu)勢：孔隙率高達 99.6%，熱導(dǎo)率已十分接近靜止空氣，且遠低于致密相變薄膜和普通相變纖維膜。

它還具備一項獨特的溫度響應(yīng)特性：當(dāng)環(huán)境溫度從 40℃ 降到零下 20℃ 時，其熱導(dǎo)率下降約 21%，越冷越保溫。

在疏水性方面，PCFA 由 PAN、TPU 和相變微膠囊等非親水材料構(gòu)成，吸濕率僅約 1.6%，是棉花（5.9%）的四分之一，解決了天然纖維吸濕后保暖性能下降的問題。

耐久性同樣表現(xiàn)優(yōu)異：PCFA 可承受相當(dāng)于自重 2,500 倍的拉力，1,000 次壓縮循環(huán)后產(chǎn)生的塑性形變僅 0.96%；1,000 次相變循環(huán)后（按一日一循環(huán)計，約相當(dāng)于三年的常規(guī)使用），材料性能幾乎不衰減；洗 20 次結(jié)構(gòu)不散、纖維不斷、微膠囊不脫落，潛熱保留率高達 97.7%。

關(guān)于服裝領(lǐng)域尤為關(guān)注的透濕性與親膚性問題，史全表示，PCFA 瞄準(zhǔn)的是極寒環(huán)境這一特定應(yīng)用場景，在此類條件下，人體的首要風(fēng)險在于失溫和凍傷。PCFA 的低吸濕性使其在凍雨、冰雪或高濕空氣等惡劣天氣中依然能夠維持穩(wěn)定的隔熱性能，這正是其相較于天然保溫材料的關(guān)鍵競爭力所在。

圖 | PCFA 的熱學(xué)性能表征（來源：ACS Energy Letters）

同時，團隊也在圍繞親膚性開展系統(tǒng)性探索，例如在整體疏水的前提下，對貼膚側(cè)進行親水處理，以提升穿著舒適度。后續(xù)將對此展開系統(tǒng)評估，作為推動實際應(yīng)用轉(zhuǎn)化的重要一步。

針對紫外老化、長期壓縮、反復(fù)摩擦等真實服役條件下的耐久性考驗，團隊回應(yīng)稱，PAN 基體本身具備一定的抗紫外能力；后續(xù)計劃開展有關(guān)性能長期衰減規(guī)律的系統(tǒng)測試，耐磨測試方案也在同步設(shè)計中。

先從手套鞋墊做起，換個芯就能進工業(yè)

在具體應(yīng)用場景方面，史全希望先從手套、鞋墊、護膝等局部防護產(chǎn)品入手。手腳和膝蓋是人體對寒冷最為敏感的部位，且這類產(chǎn)品用料少，對現(xiàn)階段有限的產(chǎn)能較為友好，成本也更容易控制。

下一步計劃擴展至非穿戴場景，如帳篷、睡袋、車載保溫內(nèi)襯等，這些產(chǎn)品對柔性和可編織的要求較低，但對隔熱儲熱綜合性能要求高，PCFA 恰好能滿足。團隊的長期目標(biāo)是讓 PCFA 成為整件冬裝的填充層。

此外，微膠囊具備“換芯不換殼”的靈活特性，史全強調(diào)，“換芯”后整個制備工藝和成型過程基本不用大改。因此，通過替換不同熔點的相變材料芯材，這項技術(shù)有望擴展至更廣泛的應(yīng)用場景。例如在冷鏈物流領(lǐng)域，可以改用熔點更低的相變材料做保溫襯墊，用于生物制劑或生鮮的溫控運輸，在斷電或波動時提供被動熱緩沖；建筑節(jié)能可利用晝夜溫差蓄熱放熱，同時靠低熱導(dǎo)率減少熱量損耗。

不過，靜電紡絲工藝目前還存在量產(chǎn)的規(guī)模化局限。

實驗室級別的單針頭靜電紡絲每小時僅能產(chǎn)出數(shù)克，無法滿足工業(yè)需求；多針頭陣列通量更高，但針頭間的相互干擾會影響纖維直徑均勻性和沉積一致性。

此外，高濕誘導(dǎo)相分離是 PCFA 成形的關(guān)鍵，在工廠級別的大空間里維持穩(wěn)定溫濕度、保證批次一致并不容易。此外長時間連續(xù)紡絲，微膠囊可能沉降團聚，導(dǎo)致功能組分分布不均。

圍繞這一挑戰(zhàn)，團隊目前正在尋求自動化產(chǎn)線合作，希望在 1 到 3 年內(nèi)實現(xiàn)中試級別的連續(xù)化生產(chǎn)，并逐步擴大產(chǎn)能，為后續(xù)更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

成本則是另一道門檻。史全表示，PCFA 目前仍處于實驗室研發(fā)階段，所用原料單價遠高于工業(yè)化批量采購價格，尚無法與 Primaloft、3M Thinsulate 等成熟商業(yè)材料直接比價。不過，若未來能實現(xiàn)原料的批量采購與靜電紡絲的連續(xù)化運轉(zhuǎn)，綜合成本有望大幅下降。他同時指出，PCFA 優(yōu)異的性能具有不可替代性，其儲熱調(diào)溫與隔熱保溫的雙重功能所帶來的性能溢價，可在一定程度上平衡成本壓力，有望成為產(chǎn)品立足市場的核心支撐。對此，他持樂觀態(tài)度。

目前，PCFA 相關(guān)技術(shù)已提交發(fā)明專利申請，覆蓋雙聚合物體系、高濕相分離工藝、微膠囊復(fù)合策略三個核心環(huán)節(jié)。

圖 | 史全研究員與團隊成員（來源：受訪者提供）

團隊在論文中還探討了將此類相變材料智能化的前景。史全告訴 DeepTech，團隊已初步圍繞這一目標(biāo)開展多線課題，包括輻射制冷相變纖維膜、光熱轉(zhuǎn)化相變纖維等方向。同時，他們也驗證了引入導(dǎo)電與傳感組分后實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)化功能的可行性。不過，要真正構(gòu)建 “傳感-響應(yīng)-反饋”的智能閉環(huán)，仍需在材料兼容性和穿戴舒適性上持續(xù)攻關(guān)。

至于終極目標(biāo)，研究人員表示，他們希望做出能感知人體冷暖、主動調(diào)節(jié)自身功能的智能紡織品。根據(jù)不同的場景需求，把相變儲能、溫度傳感、主動加熱、輻射制冷等多種特性集成于一塊布料之中。

參考內(nèi)容：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.6c00363

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成