具有纳米纤维网络的准固-固相变纤维，其热密度得到提升

《Materials Today Energy》：Quasi-solid-solid phase change fibers endowed by nanofibrous networks with enhanced heat density

相变纤维通过共轴湿纺法将十六烷凝胶封装于12-羟基硬脂酸基纳米纤维网络中，成功制备出具有高热密度（209.4 J·g?1）、低泄漏和高可重复性的准固态-固态相变纤维，其热性能可通过烷烃种类调节，并具备光热效应。

　　本研究聚焦于一种新型的相变纤维（Phase Change Fibers, PCFs）的开发，这种纤维具有高热密度、低泄漏率、良好的可重复使用性以及高效的光热效应，展现出在温度调节和太阳能收集方面的广阔应用前景。相变纤维是一种能够通过物理相变过程吸收或释放大量热量的纤维材料，其核心在于相变材料的选择与结构设计。相变材料在相变过程中可以实现无明显温度变化的热量储存与释放，这一特性使其在多种应用场景中具有独特优势。

在现有技术中，相变纤维主要分为两类：固-液相变纤维（Solid-Liquid PCFs）和固-固相变纤维（Solid-Solid PCFs）。固-液相变纤维由于其高热密度而受到广泛关注，但这类纤维通常存在泄漏问题，尤其是在材料处于液态时，相变材料容易从纤维中逸出，影响其稳定性和实用性。相比之下，固-固相变纤维虽然具有良好的密封性，避免了泄漏现象，但其热密度较低，限制了其在高能量储存需求场景中的应用。因此，如何在保持固-固相变纤维优点的同时提升其热密度，成为当前研究的一个重要方向。

本研究提出了一种创新的策略，通过共轴湿法纺丝技术，制备出具有准固-固相变特性的相变纤维。这种纤维采用热可逆相变材料凝胶作为内层纺丝液，其中相变材料为十八烷（Octadecane, OD），其被封装在以十二羟基硬脂酸（12-Hydroxystearic Acid, 12-HSA）为基础的三维纳米纤维网络中。通过这种方式，相变材料能够在纤维内部形成稳定的结构，从而在相变过程中减少泄漏风险。同时，由于12-HSA的特殊性质，这种凝胶体系能够在特定温度范围内实现固-胶（晶体-胶）相变和胶-液相变，使得相变纤维具备了可调节的热储存与释放温度特性。

研究结果显示，所制备的准固-固相变纤维表现出极高的热密度，达到209.4 J/g，远高于文献中报道的任何固-固相变纤维的热密度。这一热密度的提升主要得益于12-HSA纳米纤维网络对相变材料的有效封装，以及纤维结构在相变过程中形成的稳定形态。此外，纤维在经历300次加热-冷却循环后，其热容量仍保持较高水平，未出现明显下降，说明其具有良好的可重复使用性。这一特性对于实际应用至关重要，因为频繁的热循环可能导致材料性能下降，影响其长期稳定性。

为了进一步增强纤维的光热性能，研究团队在纤维的鞘层中引入了碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs），特别是经过表面修饰的CNT-COOH。碳纳米管因其优异的光吸收能力和热传导性能，能够显著提升纤维的光热转换效率。当光照射到纤维表面时，碳纳米管能够快速吸收光能并将其转化为热能，从而实现高效的太阳能收集和热能储存。这一设计使得相变纤维不仅能够储存和释放热量，还能够在光照条件下实现主动的热能输入，为光热转换和温度调节提供了一种新的解决方案。

在制备过程中，共轴湿法纺丝技术被广泛应用于相变纤维的生产。该技术通过将相变材料凝胶作为内层纺丝液，与外层纺丝液共同进行纺丝，形成具有中空结构或分层结构的纤维。这种结构设计不仅有助于相变材料的封装，还能够优化纤维的热传导路径，提高其热响应速度和效率。此外，12-HSA纳米纤维网络的形成依赖于其分子间的自组装行为，这种自组装过程能够产生具有高度有序结构的三维网络，从而为相变材料提供稳定的物理支撑。

研究还探讨了12-HSA-OD凝胶的热行为特性。通过差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）分析，发现12-HSA-OD凝胶在约25°C时会发生晶体-胶相变，在约70°C时会发生胶-液相变。这种双重相变特性使得相变纤维能够在更宽的温度范围内实现热量的储存与释放，同时避免了传统固-液相变纤维在高温下可能发生的泄漏问题。此外，由于12-HSA的热可逆性，这种凝胶体系能够在多次热循环中保持稳定的性能，为相变纤维的长期使用提供了保障。

为了验证所制备相变纤维的性能，研究团队进行了系统的实验测试。测试结果表明，这些纤维在加热和冷却过程中能够有效吸收和释放热量，其热容量和热响应速度均优于传统固-固相变纤维。同时，纤维的泄漏率极低，这主要归功于12-HSA纳米纤维网络对相变材料的高效封装。此外，通过引入碳纳米管，纤维的光热效应得到了显著增强，使其能够在光照条件下实现快速的热量输入，从而进一步拓展了其在太阳能收集和温度调节中的应用潜力。

在实际应用中，这种准固-固相变纤维可以用于多种场景，如服装行业中的温度调节织物、建筑领域的热能储存材料、以及太阳能收集系统中的高效热能转换组件。其高热密度和良好的可重复使用性使其在需要大量热量储存和释放的场景中具有显著优势。此外，由于其光热效应，这种纤维还可以作为太阳能收集装置的一部分，实现光能向热能的高效转换，从而提升整体系统的能源利用效率。

值得注意的是，本研究中使用的12-HSA纳米纤维网络不仅提供了物理支撑，还赋予了相变纤维一定的智能响应能力。这种网络能够根据外界温度变化而发生结构上的调整，从而实现对相变材料的动态封装。这一特性使得相变纤维能够在不同环境条件下保持稳定的性能，同时还能通过外部刺激（如温度变化）实现热储存与释放的精准控制。这种智能响应能力对于开发具有自适应特性的温控材料具有重要意义。

此外，研究团队还探索了不同材料配比对相变纤维性能的影响。通过调整12-HSA与OD的比例，可以优化凝胶体系的热行为特性，从而实现对相变温度的精确调控。这一发现为后续的材料优化和应用拓展提供了理论依据，也为开发具有更广泛温度适用范围的相变纤维奠定了基础。同时，通过改变相变材料的种类，可以进一步拓展相变纤维的应用场景，例如使用具有不同熔点的烷烃作为相变材料，以适应不同的温度需求。

在实验过程中，研究团队还关注了纤维的机械性能和结构稳定性。通过调节纺丝工艺参数，如纺丝液的浓度、纺丝速度以及冷却条件，可以优化纤维的微观结构，从而提升其机械强度和热稳定性。这种结构优化不仅有助于提高纤维的使用寿命，还能增强其在实际应用中的可靠性。例如，在服装行业中，相变纤维需要具备良好的柔韧性和透气性，以确保穿着舒适度；而在建筑领域，纤维材料需要具备较强的耐久性和稳定性，以适应复杂的环境条件。

从材料科学的角度来看，本研究的创新点在于成功地将热可逆相变材料凝胶与共轴湿法纺丝技术相结合，制备出具有准固-固相变特性的相变纤维。这种新型纤维不仅克服了传统固-液相变纤维的泄漏问题，还显著提升了固-固相变纤维的热密度，使其在实际应用中具备更高的能量储存能力。同时，通过引入碳纳米管，研究团队进一步增强了纤维的光热效应，使其能够在光照条件下实现高效的热量输入，从而拓展了其应用范围。

本研究的成果不仅为相变纤维材料的开发提供了新的思路，也为相关领域的技术进步做出了贡献。未来，随着对相变材料和纤维结构的进一步研究，有望开发出更多具有优异性能的相变纤维，满足不同应用场景的需求。此外，研究团队还计划探索其他类型的相变材料和封装策略，以进一步提升相变纤维的性能和适用性。这些研究方向将为相变纤维在温度调节、能源储存和智能材料等领域的应用提供更广阔的空间。

总的来说，这项研究为相变纤维的开发和应用提供了重要的理论支持和技术手段。通过结合热可逆相变材料凝胶和共轴湿法纺丝技术，研究团队成功制备出一种具有高热密度、低泄漏率和高效光热效应的新型相变纤维。这种纤维不仅在实验室条件下表现出优异的性能，还具有良好的可重复使用性和结构稳定性，为未来在多个领域中的应用奠定了坚实的基础。同时，研究团队的创新策略也为其他类似材料的开发提供了借鉴，推动了相变纤维技术的进步。