本研究由苏州大学纺织与服装工程学院的曹辉（hui cao）、尹旭初（xuchu yin）、黄志豪（zhihao huang）等研究人员，在张涛（tao zhang）、徐志光（zhiguang xu）和赵燕（yan zhao）三位通讯作者的指导下完成。其中张涛和赵燕来自苏州大学纺织与服装工程学院及江苏省先进纺织工程技术中心，徐志光来自嘉兴大学生物、化学科学与工程学院。该研究成果于2025年11月11日投稿，2026年1月13日被接收，发表于 *Advanced Functional Materials*（2026年，第36卷，文章编号e30359），论文标题为“Achieving High Heat Density and Superior Mechanical Strength in Phase Change Fibers for Efficient Personal Thermal Management”。
维持适宜的体温对于人体正常生理功能与热舒适至关重要。在高温作业环境（如消防救援）或户外开放环境中，传统空调系统难以发挥作用，因此个人热管理（personal thermal management）技术日益受到关注。相变材料（phase change materials, PCMs）凭借其高储能密度和相变过程中温度几乎不变的特点，成为被动式个人热管理的理想选择。在众多有机相变材料中，正十八烷（octadecane, OD）因其相变温度（约26–30°C）接近人体舒适温度而最具应用前景。
将相变材料制成相变纤维（phase change fibers, PCFs）可以有效解决泄露问题并提升穿着舒适性。然而，现有制备方法均面临难以兼得高潜热密度与高力学强度的问题：微胶囊纺丝法相变材料负载率低；多孔纤维浸渍法和中空纤维注入法虽可实现高负载但易泄露；复合纺丝法则需要大量聚合物来束缚相变材料，导致相变焓降低。这一“热密度-力学性能权衡”构成了该领域的核心挑战。本文旨在通过同轴湿法纺丝（coaxial wet spinning）结合质子供体辅助去质子化策略，制备兼具高潜热密度和高强度的芳纶纳米纤维（aramid nanofiber, ANF）基相变纤维，并验证其在高温场景下个人热管理的实际应用潜力。
本研究的工作流程可概括为四个主要环节：纺丝液的制备与表征、相变纤维的连续制备、纤维的结构-性能表征、以及织物层面的热管理应用验证。
（1）纺丝液的制备。 研究首先通过质子供体（水）辅助去质子化方法制备ANF分散液。将聚对苯二甲酰对苯二胺（poly(paraphenylene terephthalamide), PPTA）纤维与氢氧化钾（KOH）加入二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide, DMSO）和水的混合溶剂中。水的引入显著加速了去质子化进程——当水与DMSO体积比为1:25时，ANF分散液仅需6小时即可形成，而传统无水质子化方法则需要7天，效率提高约28倍。所得ANF平均直径为36.5±9.3 nm，远小于传统方法的54.6±6.4 nm。流变学测试表明，水辅助方法制备的ANF分散液具有更低的黏度、更宽的流体频率范围以及更高的表面电位，表明其稳定性和可纺性均优于传统方法。内核纺丝液为非水乳液（nonaqueous emulsion），即将液态OD分散于ANF分散液中，以Pluronic F127为乳液稳定剂。研究系统考察了ANF连续相浓度（x = 1.0、1.25、1.5 wt.%）和分散相OD质量分数（y = 25%、33%、50%）对乳液性质的影响，所制备的乳液标记为AEx-y。提高ANF浓度使分散液滴平均直径从21.5 µm降至7.4 µm，提高了乳液稳定性。
（2）相变纤维的制备。 采用同轴湿法纺丝技术，以2 wt.%的ANF分散液为外层纺丝液，以OD-in-ANF非水乳液为内层纺丝液，通过同轴针头（外通道直径1.6 mm，内通道直径0.5 mm）注入去离子水凝固浴中。纤维成型机制为非溶剂致相分离（non-solvent-induced phase separation）与同步再质子化（reprotonation）：溶剂与水双向扩散，ANF发生再质子化而固化。所得纤维经冷冻干燥后得到APCFs（aramid nanofiber-based PCFs）。通过调节乳液配方，可实现连续数百米APCFs的制备，展示出规模化生产潜力。
（3）结构与性能表征。 扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）证实了APCFs的皮芯结构：外层为致密的纳米纤维网络（平均纳米纤维直径663±113.8 nm），芯层为闭孔（closed-cell）多孔结构，OD液滴被有效封装于闭孔之中。元素分布分析确认了OD在闭孔内的存在——孔洞区域氧含量从孔壁的10.01%降至孔内部的6.51%。共聚焦激光扫描显微镜进一步验证了相变材料的均匀分散。力学测试表明，APCFs的断裂应力最高达46.6 MPa，杨氏模量最高达1475.4 MPa，单根纤维可承受超过其自重10000倍的载荷。热性能方面，差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）测得熔融焓（ΔHm）最高达199.6 J/g，结晶焓（ΔHc）最高达197.8 J/g。泄露测试显示100次冷热循环后熔融焓降至162.0 J/g，保持率约81.2%，而纤维形态保持完好。
（4）织物制备与热管理验证。 利用APCFs优异的力学性能，研究者将其通过全自动剑杆织机织造成1.0 m×0.2 m的相变织物。选择APCF1.5-33作为最优候选（拉伸强度38.9 MPa，相变焓153.1 J/g），其室温导热系数为0.106 W/(m·K)，透气率为416.5±16.7 mm/s，透湿率为676.7±45.7 g/(m²·day)。在加热-冷却对比实验中，APCF1.5-50织物从24°C升至35°C耗时33分钟，而ANF2参考织物仅需2分钟；冷却过程中APCF织物在26°C维持了20分钟的缓冲平台。在模拟太阳辐照（1000 W/m²）条件下，覆盖单层和双层APCF1.5-50织物的皮肤最高温度分别为38.9°C和38.6°C，远低于裸露皮肤的41.1°C，最大温差（ΔTmax）分别为4.6°C和6.5°C。将相变织物嵌入救援服和消防服后，胸部皮肤在救援服测试中最大降温4.5°C（第100秒），在消防服测试中最大降温3.7°C（第40秒）。在45°C热风暴露测试中，APCF嵌入区域皮肤温度始终比对照组低1–2°C，证实了持续的稳态降温效益。
本研究的核心成果体现在三个层面。第一，通过质子供体辅助去质子化实现了ANF分散液的高效制备与优异可纺性。 水的引入不仅将制备时间从7天缩短至6小时，还使ANF直径更小、分散液稳定性更强。这一结果为后续获得高强度纤维奠定了基础——更细的ANF意味着更高的分子链缠结程度，从而赋予纤维更高的力学性能。第二，通过同轴湿法纺丝和乳液模板法成功构建了兼具致密皮层和闭孔芯层的皮芯结构。 致密ANF皮层提供了主要的力学支撑，芯层中连续的ANF骨架进一步增强了纤维强度，而闭孔结构则实现了对OD的高效封装。正是这种“皮层承担强度、芯层闭孔储热”的结构设计，有效打破了热密度与力学性能之间的权衡关系。力学和热学数据验证了这一设计逻辑：当ANF浓度从1.0 wt.%升至1.5 wt.%时，断裂应力从13.7 MPa增至31.8 MPa，熔融焓也从188.1 J/g增至199.6 J/g——二者同步提升，证明该策略避免了传统的此消彼长。第三，优异的力学强度使工业级织造成为可能。 46.6 MPa的断裂应力远超普通相变纤维（文献报道多在264 kPa至10.9 MPa范围），使APCFs能够承受剑杆织造中的引纬和打纬冲击，成功织造出米级相变织物。织物层面的热管理测试进一步证明了高潜热密度在实际应用中的价值：相变织物在升温过程中形成了显著的缓冲平台，在皮肤接触场景中实现了最大4.5°C的降温效果，且降温幅度随织物层数增加而提升。
本研究成功制备了兼具高潜热密度（199.6 J/g）和高力学强度（断裂应力46.6 MPa、杨氏模量1475.4 MPa）的芳纶纳米纤维基相变纤维。其科学价值在于：提出了质子供体辅助去质子化的新方法，显著提升了ANF分散液的制备效率和纤维力学性能；通过乳液模板法构建闭孔芯层结构，实现了相变材料的高效封装（泄露率低于0.99%）和100次冷热循环后的性能保持。其应用价值在于：APCFs的优异可织性使其能够通过工业化剑杆织造生产米级相变织物，在高温救援和消防场景中展现出快速降温与温度缓冲效果，为可穿戴热管理纺织品从实验室走向实际应用提供了可行路径。
本研究的突出亮点包括：（1）首次将质子供体辅助去质子化策略引入相变纤维制备体系，将ANF分散液制备时间从7天缩短至6小时，同时显著提升了纤维力学性能；（2）通过乳液模板法在芯层构建闭孔结构，同时实现了高OD负载（焓值达199.6 J/g）和极低泄露（≤0.99%）；（3）所得相变纤维的力学强度远超文献报道水平，使其能够承受工业化剑杆织造工艺，成功产出米级织物，这在相变纤维领域具有里程碑意义；（4）在真实救援服和消防服场景中验证了相变织物的实际热管理效果，包括对45°C极端热环境的持续降温能力，充分展示了该材料在高温职业防护领域的应用前景。