三维蓬松核壳结构相变纤维填充材料的机械与热性能研究及其在个人热管理中的应用

为解决传统相变纤维二维密实结构导致的隔热性能不足问题，研究人员通过湿度诱导同轴静电纺丝技术制备了具有三维蓬松结构的核壳相变纤维填充材料（PCFs）。该材料兼具优异透湿性（～0.0155 g cm?2 h?1 ）、超轻特性（～17.75 mg cm?3 ）、高机械强度及双重热功能（储热～68.8 J g?1 ，隔热～31 mW•m?1 •K?1 ），为寒冷环境下的个人热管理提供了创新解决方案。

　　

在极寒户外环境中，人体热管理关乎生存安全与活动能力。传统纺织品通过增加厚度或改变材质调节保暖性，但往往牺牲美观性与灵活性。相变材料(PCM)纺织品虽能通过储放热缓冲温度变化，但现有技术制备的二维密实相变纤维存在隔热性能差、易泄漏等问题。尤其当采用混合纺丝法时，相变材料封装效率低；而核壳结构纤维虽稳定性高，却因紧密堆叠导致空气捕获不足，难以满足严寒需求。如何兼顾纤维的蓬松结构、机械强度与热功能，成为突破个人热管理技术瓶颈的关键。

河北某研究团队创新性地将湿度诱导同轴静电纺丝与交联剂技术结合，以聚苯乙烯(PS)/聚氨酯(PU)为壳、聚乙二醇(PEG)为核，制备出三维蓬松核壳相变纤维填充材料（PCFs），并通过添加三羟甲基丙烷三(2-甲基-1-氮丙啶丙酸酯)(TTMA)构建纤维间交联网络，最终获得强化相变纤维（SPCFs）。研究采用结构表征、力学测试与热性能分析等手段，系统评估了材料的综合性能。

结果与讨论

1. 结构设计灵感：模仿动物绒毛的隔热机制，通过蓬松结构捕获静止空气。扫描电镜显示PCFs呈三维交错网络，孔隙率显著高于传统二维膜材料。
2. 双重热功能验证：差示扫描量热法证实SPCFs储热密度达68.8 J g^?1
   ，接近纯PEG理论值；热导率仅31 mW•m^?1
   •K^?1
   ，优于羽绒（约25 mW•m^?1
   •K^?1
   ）且具备湿度响应性。
3. 机械性能突破：交联处理使纤维断裂应变提升至370%，压缩回弹率超90%，远胜未交联样品。

结论与意义
该研究首次实现核壳相变纤维的三维蓬松结构规模化制备，其SPCFs填充材料兼具“被动隔热”与“主动调温”功能：一方面通过高孔隙结构阻隔热量散失，另一方面利用PEG相变缓冲环境温差。交联技术的引入更解决了蓬松材料机械强度差的行业难题。相比团队前期混合纺丝产物，新材料的储热效率提升30%以上，为极地作业、高寒户外运动等场景提供了轻量化、可穿戴的解决方案。论文发表于《Polymer》，为功能纺织品设计提供了“结构-性能”协同优化的新范式。