个人热管理领域新突破：溶剂调控封装策略制备高性能相变纤维
一、 研究团队与发表信息
本研究由一支来自中国顶尖科研机构的团队合作完成。主要作者包括Yufei Huang、Xinyin Yang、Jiayi Li、Yutao Niu、Gang Xiao、Chao Shen、Xingxiang Qi、Xiaotao Ma、Pibo Ma、Zhenzhong Yong、Muqiang Jian、Tao Cheng、Yongyi Zhang、Yuanlong Shao以及Jin Zhang。其中，Tao Cheng（苏州大学功能纳米与软物质研究院）、Yongyi Zhang（中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所）、Yuanlong Shao和Jin Zhang（北京大学材料科学与工程学院、北京石墨烯研究院）为共同通讯作者。该研究成果以“Fabricating Thermoconductive Phase-Change Fiber via Solvent-Regulated Encapsulation in Carbon Nanotube Network”为题，于2025年11月6日在线发表于国际知名学术期刊《ACS Nano》（2025年第19卷，第39086-39097页）。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于材料科学、纺织工程与能源管理交叉领域，具体聚焦于用于个人热管理（Personal Thermal Management, PTM）的智能纤维与纺织品。随着全球对能源效率和人体舒适度需求的提升，PTM系统通过精准调控人体周围微气候，减少对高能耗供暖、通风和空调（HVAC）系统的依赖，具有重要意义。相变纤维（Phase Change Fibers, PCFs）因其能够通过相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的潜热存储与释放来缓冲环境温度波动，维持热平衡，被视为PTM的理想候选材料。
然而，传统PCFs面临两大核心挑战：一是相变焓（潜热容量）不足，导致热调节能力有限；二是在相变温度以上，PCMs容易泄漏，影响纤维的结构稳定性和使用寿命。此外，现有PCFs多依赖于微胶囊化PCMs（如Outlast技术），其制造工艺复杂、封装效率低、力学性能一般，且通常仅具备被动的单向热缓冲功能，缺乏主动、按需供热的能力，难以适应动态变化的热环境。
碳纳米管纤维（Carbon Nanotube Fibers, CNTFs）因其优异的固有特性——超高力学强度、出色的电导率和热导率，以及巨大的比表面积和互联网络结构——被认为是构建高性能复合纤维的理想骨架。将PCMs封装进CNTFs网络，有望同时获得高相变焓、卓越的力学性能和导电/导热性，从而实现被动（相变缓冲）与主动（焦耳加热）相结合的双模式热管理。但关键的科学问题在于：如何在高PCM负载量的前提下，实现其在CNTs网络中的高效、稳定封装，并同时保持纤维优良的综合性能。
因此，本研究的目标是开发一种可规模化制备的高性能相变复合纤维。具体而言，研究团队旨在通过一种创新的“溶剂调控封装”策略，将聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）作为PCM原位封装进连续的碳纳米管网络中，制备出兼具高相变焓、高强度、高导热/导电性以及优异循环稳定性的PEG/CNTFs，并验证其在可穿戴双模式热管理纺织品中的应用潜力。
三、 详细研究流程与方法
本研究的工作流程系统而严谨，主要包含以下几个关键步骤：
1. 材料制备：一步法连续纺丝与溶剂调控封装 * 研究主体与样本： 以浮动催化化学气相沉积（Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition, FCCVD）法连续生长的碳纳米管气凝胶（CNTs sock）作为纤维骨架，以平均分子量为4000的PEG作为相变材料。 * 核心方法： 研究团队开发了一种一步法连续制备工艺。如图1a所示，从FCCVD炉中直接牵引出的CNTs气凝胶“袜套”被连续浸入含有PEG的凝固浴中。在此过程中，CNTs网络在凝固浴中收缩、致密化，同时将PEG原位封装在其内部，形成PEG/CNT复合纤维（PEG/CNTFs）。湿纤维随后被收集、干燥。该方法具有高通量潜力，单次可连续收集数百米纤维（图1b），并可进一步加捻成纱线（图1c），与纺织制造流程兼容。 * 关键创新——溶剂调控策略： 本研究最核心的创新在于对凝固浴溶剂组成的精确调控。研究人员系统性地改变了凝固浴中乙醇（EtOH）与水的质量百分比（0 wt%， 25 wt%， 50 wt%， 75 wt%， 100 wt%），旨在探究溶剂组成对PEG浸润、CNTs网络致密化以及最终纤维结构与性能的影响。这是实现性能优化的关键调控参数。
2. 结构表征与性能测试 * 微观结构表征： 采用多种先进显微技术对纤维的微观结构进行深入分析。 * 冷冻聚焦离子束扫描电镜（Cryo-FIB-SEM）： 用于观察纤维的横截面形貌，确认PEG在CNTs网络中的均匀封装和致密结构（图1d）。 * 透射电子显微镜（TEM）： 在高分辨率下揭示了PEG与CNTs之间的界面结构（图1e-g）。结果显示，CNTs无严重团聚地分散在PEG非晶基质中，PEG链在CNTs表面形成了一层无定形吸附层，表明两者界面结合紧密，无明显的相分离或间隙，这有利于应力和声子（热）的跨界面传递。 * 扫描电子显微镜（SEM）： 系统研究了不同EtOH含量凝固浴制备的纤维横截面形貌（图2b-d及补充材料图S8-S9）。结果表明，纯水凝固浴制备的纤维存在明显大孔洞，而50 wt% EtOH制备的纤维结构最为致密均匀，孔隙呈纳米尺度分布。 * 组成与热性能分析： * 热重分析（TGA）： 用于定量测定复合纤维中PEG的质量分数（图2e）。结果显示，在50 wt% EtOH凝固浴中制备的PEG/CNTFs具有最高的PEG负载量（89.1 wt%），远高于纯水凝固浴制备的样品（72.9 wt%）。 * 差示扫描量热法（DSC）： 用于测量纤维的相变焓（熔化焓和结晶焓）及相变温度（图2g, i）。这是评估其热能存储能力的关键指标。 * 力学与物理性能测试： * 拉伸测试： 测量纤维的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率（图2f，补充材料图S2, S10）。 * 热导率测试： 测量纤维的轴向热导率（图2h，补充材料图S11）。 * 电导率与焦耳加热测试： 测量纤维的电导率，并评估其作为电热器的性能，包括升温速率、稳态温度及相变缓冲效应（补充材料图S12-S13, S28-S29）。 * 循环稳定性测试： 将纤维在0-80°C温度区间内进行500次热循环，随后通过DSC测试其相变焓和温度的变化，以评估其长期使用的可靠性（图2i）。 * 溶剂调控机制的模拟与实验验证： * 粗粒度分子动力学模拟（CG-MD）： 用于从分子层面揭示不同溶剂（水、乙醇及其混合物）环境中PEG链的构象演变及其在CNTs表面的吸附行为（图3a-d）。模拟结果显示，在50 wt% EtOH环境中，PEG链呈现最舒展的构象（回转半径和端到端距离最大），这有利于其与CNTs的强效、连续吸附。径向分布函数（RDF）分析也证实了此条件下PEG与CNTs的空间相关性最强。 * 接触角测量： 实验测量了不同EtOH含量的PEG溶液在CNTs薄膜表面的润湿性（图3e，补充材料图S19），验证了EtOH的加入能有效改善PEG溶液对CNTs的浸润。 * 广角X射线散射（WAXS）： 分析了纤维的结晶结构和CNTs取向度（图3f-i，补充材料图S20-S21, S26）。通过计算Herman取向参数（f）和半高宽（FWHM），定量评估了CNTs的排列有序度和PEG的结晶完善度。
3. 织物制备与应用演示 * 织物编织： 将制备的PEG/CNTFs纱线与原始CNTFs纱线结合，在电脑横机上采用双面罗纹结构编织成大面积（30 cm × 150 cm）的织物（图5b-d）。 * 机械变形与集成测试： 对织物进行抓握、折叠、扭曲、拉伸等变形测试，评估其机械耐久性（图5e）。并将织物集成到冬季夹克的胸部和背部区域，演示其可穿戴应用潜力（图5f，补充材料图S34）。 * 双模式热管理性能测试： 对比测试了PEG/CNTFs织物与纯CNTFs织物在焦耳加热模式下的热响应（图5g-h）。使用红外热像仪记录温度分布和随时间的变化曲线，重点考察了PEG相变带来的温度缓冲（平台）效应。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究通过系统的实验和模拟，获得了一系列重要且相互印证的发现：
1. 溶剂组成对纤维结构与性能的决定性影响： 研究结果清晰地表明，凝固浴中EtOH/水的比例是调控PEG/CNTFs最终性能的关键。当EtOH含量为50 wt%时，纤维获得了最优的综合性能组合（图2j雷达图）： * 最高PEG负载量（89.1 wt%）与相变焓（145.2 J/g）： 这得益于EtOH的加入改善了溶剂对CNTs的润湿性，促进了PEG在CNTs网络中的均匀渗透和高效封装。TGA和DSC数据直接证实了这一点（图2e, g）。 * 最高的拉伸强度（487.0 MPa）和热导率（59.3 W·m⁻¹·K⁻¹）： SEM和WAXS分析揭示了其结构根源。50 wt% EtOH条件导致了最致密的纤维微观结构（图2c）和最高的CNTs取向度（f = 0.701）（图4i）。致密的结构和良好的取向有利于应力传递和热传导路径的优化。拉伸断口SEM显示该条件下纤维断面平坦，纤维拔出被抑制，表明界面结合强（图4c）。应力松弛测试也证实其具有最强的抗应力衰减能力（图4e）。 * 平衡的伸长率与导电性： 纤维保持了可接受的断裂伸长率（8.9%）和足够的电导率（0.62 MS/m），使其兼具柔韧性和焦耳加热功能。
2. 溶剂调控封装机制的阐明： 实验与模拟结果共同揭示了性能提升的微观机理。CG-MD模拟显示，在50 wt% EtOH环境中，PEG链构象最舒展，且与CNTs的吸附作用最强（图3a-d）。接触角实验证实了该条件下最佳的润湿行为（图3e）。WAXS分析进一步表明，此条件下制备的纤维中PEG结晶度最高（85.9%），且结晶有序度最好（FWHM最小）（图3f）。这些结果相互支持，表明适中的EtOH含量创造了一个“最佳点”：它既能有效降低界面张力，促进PEG浸润和CNTs分散，又能通过适度的蒸发速率控制纤维的收缩动力学，从而形成PEG分布均匀、CNTs排列有序、界面结合紧密的完美复合结构。EtOH含量过低（纯水）会导致PEG浸润不足和快速收缩产生孔洞；过高（纯乙醇）则因过度浸润和挥发过快导致结构松散，均不利于性能优化。
3. 卓越的循环稳定性与双模式热管理能力： 经过500次热循环后，PEG/CNTFs的相变焓保留率高达99.4%，相变温度变化极小（ΔTm ≤ 0.2 °C， ΔTc ≤ 0.6 °C）（图2i），证明了CNTs网络对PEG优异的封装稳定性和抗泄漏能力。在应用演示中，PEG/CNTFs织物成功展示了其独特的双模式热管理功能（图5g-h）：在通电时，CNTs网络实现快速焦耳加热（主动模式）；当温度达到PEG熔点时，相变过程吸收大量热量，产生明显的温度平台，防止过热；断电后，凝固放热过程又能延长舒适温度的维持时间（被动模式）。这种结合解决了传统电加热织物易过热和传统PCFs无法主动供热的难题。
4. 与现有技术的对比优势： 如图1h和补充表S1所示，本研究制备的PEG/CNTFs在“相变焓-拉伸强度”二维性能空间中，远远超越了以往通过湿法纺丝、同轴纺丝或浸渍法制备的PCFs，实现了高能量密度和高机械强度的同步突破。
五、 研究结论与价值意义
本研究成功开发了一种基于溶剂调控封装策略的一步法连续制备技术，用于制造高性能聚乙二醇/碳纳米管复合相变纤维（PEG/CNTFs）。通过优化凝固浴中的乙醇/水比例（最佳为50 wt% EtOH），实现了PEG在CNTs网络中的高效、均匀封装，所获纤维综合性能卓越：高PEG负载量（89.1 wt%）、高相变焓（145.2 J/g）、高拉伸强度（487.0 MPa）、高导热率（59.3 W·m⁻¹·K⁻¹）以及足够的电导率（0.62 MS/m）。该材料展现出优异的循环稳定性（500次循环后焓值保留率99.4%）和独特的被动（相变缓冲）与主动（焦耳加热）相结合的双模式热管理能力。研究进一步通过分子动力学模拟和多种表征手段，深入阐释了溶剂组成通过调控PEG链构象、界面润湿及纤维收缩动力学来优化最终性能的微观机制。
本研究的科学价值在于：1）提出并验证了一种普适性的“溶剂调控封装”策略，为制备其他高性能聚合物/纳米碳复合纤维提供了新思路；2）从分子到宏观尺度，系统揭示了溶剂环境对复合材料界面结构与性能的调控规律；3）成功将高能量密度的相变材料与高导电/导热的碳纳米管网络完美结合，创造了一种新型多功能纤维材料。
其应用价值显著：1）所开发的纤维具有可编织性，能制成大面积纺织品，为下一代智能可穿戴热管理服装提供了变革性材料解决方案；2）双模式热管理功能使其能适应动态环境，实现精准、舒适、节能的人体温度调节；3）一步法连续制备工艺具备规模化生产潜力，推动了高性能相变纤维从实验室走向实际应用。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
本研究还包含一些有价值的细节，例如：对原始CNTFs的性能进行了基线测试（拉伸强度1091.76 MPa，热导率125.50 W·m⁻¹·K⁻¹），表明PEG的封装虽部分降低了CNTs网络的固有性能，但换来了宝贵的相变功能，最终复合材料在PCFs应用中仍具有显著优势。此外，研究通过弯曲电阻测试（补充材料图S30）和加热后形貌/质量分析（补充材料图S32-S33），进一步证实了纤维的机械可靠性、电学稳定性和抗泄漏性，增强了其实用性论证。这些补充数据使整个研究论证更为全面和严谨。