文獻(xiàn)快訊：Nat. Commun.僅需0.1%碳納米管，打造高性能智能調(diào)溫纖維

【成果掠影 & 研究背景】

全球建筑能耗占總能耗的40%，其中供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)效率低下。將熱管理從建筑環(huán)境轉(zhuǎn)移到人體微氣候的個(gè)性化熱舒適系統(tǒng)，是提高能效的 promising 方向。相變材料因其在相變過程中吸收或釋放大量潛熱，在可穿戴熱管理領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但其實(shí)際應(yīng)用長期受限于儲能密度、機(jī)械強(qiáng)度和相變穩(wěn)定性之間的權(quán)衡難題。

北京大學(xué)鄒如強(qiáng)、王啟寧團(tuán)隊(duì)提出了一種納米技術(shù)引導(dǎo)的策略，成功制備出超低碳納米管增強(qiáng)的相變纖維。該策略將極少量的碳納米管與三維互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶度控制與熱調(diào)節(jié)性能的顯著協(xié)同。所得相變纖維展現(xiàn)出雙重功能優(yōu)化：一方面，得益于CNT誘導(dǎo)的異相成核，其具有優(yōu)異的潛熱存儲能力（熔融焓ΔHm = 139.0 J·g?1，結(jié)晶焓ΔHc = 138.0 J·g?1）和熱穩(wěn)定性；另一方面，纖維表現(xiàn)出高機(jī)械韌性（斷裂應(yīng)變ε = 1530%，拉伸強(qiáng)度σ = 6.32 MPa）和高效的光熱能量收集效率（在120 mW·cm?2光照下η = 90.5%）。該纖維架構(gòu)確保了在紡織品制造過程中超過98%的裁剪/縫紉保真度，為規(guī)模化生產(chǎn)節(jié)能熱調(diào)節(jié)織物鋪平了道路。

【創(chuàng)新點(diǎn) & 圖文摘要】

創(chuàng)新點(diǎn)：

• 超低CNT含量的設(shè)計(jì)理念

  僅添加0.1 wt.%的碳納米管，遠(yuǎn)低于常規(guī)復(fù)合材料用量，在保證高性能的同時(shí)極大降低了成本，并避免了高含量CNT導(dǎo)致的團(tuán)聚和性能劣化。

• 三維互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

  采用SEBS和HDPE形成三維互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，將相變材料n-二十二烷多維納米限域其中，有效解決了固-液相變泄漏問題，實(shí)現(xiàn)了無泄漏封裝。

• 熔融紡絲與多級拉伸工藝

  采用雙組分熔融紡絲及后續(xù)多級拉伸工藝，該工藝無需溶劑、經(jīng)濟(jì)且可規(guī)模化。拉伸過程顯著提高了聚合物鏈取向和晶體完整性，從而同步提升了纖維的機(jī)械性能和熱性能。

• 分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示機(jī)理

  通過系統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬，從原子層面揭示了超低含量CNT作為異相成核劑，通過降低界面能和應(yīng)變能來降低成核勢壘、加速結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)校心機(jī)制，以及CNT濃度對結(jié)晶和力學(xué)行為的雙重調(diào)控作用。

• 多功能集成與可穿戴驗(yàn)證

  最終獲得的相變纖維及織物集高潛熱、高機(jī)械性能、高光熱轉(zhuǎn)換效率于一體，并成功集成到服裝中。戶外實(shí)測表明，該智能服裝能將人體體感溫度調(diào)節(jié)約5°C，展示了其在個(gè)人熱管理中的實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖1：C22/CNT@HDPE-SEBS復(fù)合材料、C22/CNT纖維及PCM基織物的制備流程示意圖。

圖2：C22/CNT3纖維的結(jié)構(gòu)表征。

圖3：C22、HDPE、SEBS和C22/CNT纖維的熱性能，以及CNT在結(jié)晶過程中誘導(dǎo)結(jié)晶機(jī)制的MD分析。

圖4：在綜合全組分體系中CNT誘導(dǎo)結(jié)晶機(jī)制的MD分析。

圖5：不同CNT含量的C22纖維在拉伸過程中的力學(xué)性能及取向增強(qiáng)機(jī)制的MD分析。

圖6：CNT-PCTRFs用于可穿戴熱管理的光熱及太陽能-電能轉(zhuǎn)換性能。

【總結(jié) & 原文鏈接】

本研究提出了一種可規(guī)模化、經(jīng)濟(jì)高效的物理交聯(lián)策略，用于制備具有高熱存儲密度和長期穩(wěn)定性的相變纖維。通過集成三維互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)限域工程、CNT誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)調(diào)控和可擴(kuò)展的制造范式，成功解決了相變材料在可穿戴應(yīng)用中儲能、機(jī)械與穩(wěn)定性的傳統(tǒng)矛盾。超低CNT的引入實(shí)現(xiàn)了潛熱放大、熱傳輸加速、韌性增強(qiáng)和熱可靠性的多功能協(xié)同提升。分子動(dòng)力學(xué)模擬從機(jī)理上支撐了CNT誘導(dǎo)結(jié)晶和梯度界面工程誘導(dǎo)纖維取向這兩大關(guān)鍵機(jī)制。所制備的相變織物展現(xiàn)出優(yōu)異的光熱和光熱電轉(zhuǎn)換特性，并通過裁剪和常規(guī)縫紉技術(shù)驗(yàn)證了其與現(xiàn)有紡織工業(yè)的兼容性。這項(xiàng)工作為可擴(kuò)展的高性能可穿戴熱能存儲系統(tǒng)建立了通用設(shè)計(jì)原則，架起了實(shí)驗(yàn)室相變工程與工業(yè)級可穿戴熱系統(tǒng)之間的橋梁。

原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68951-x

聲明：以上內(nèi)容僅反映作者個(gè)人見解，鑒于作者學(xué)識所限，若存有不嚴(yán)謹(jǐn)之處，請后臺留言指正！

熱忱歡迎各位學(xué)術(shù)界同仁分享或提交關(guān)于光-熱-電能源利用、表界面化學(xué)的相關(guān)資訊、研究成果及文章，攜手共促領(lǐng)域的繁榮前行：grdn_connect@163.com (推廣合作同號)