碳纳米管增强同轴纤维的光热转换与热调控性能研究

研究人员针对相变材料(PCM)泄漏和导热性差的问题，通过同轴静电纺丝技术制备以聚乙二醇(PEG)为核、聚丙烯腈(PAN)为鞘的复合纤维，并引入碳纳米管(CNTs)作为导热填料。结果表明，PEG@PAN/CNTs1%纤维具有67.51 J/g的高熔融焓，50次冷热循环后仍保持稳定，且在180秒内实现56oC的光热升温，为智能纺织品和可再生能源存储提供新策略。

　　

论文解读
能源危机与气候变化的双重压力下，如何高效利用太阳能等可再生能源成为全球焦点。然而，这些能源存在间歇性和不稳定性，亟需开发新型储能材料。相变材料(PCM)因其高储能密度和近乎恒温的相变特性备受关注，但传统有机PCM如聚乙二醇(PEG)存在液相泄漏和导热率低的致命缺陷。更棘手的是，现有封装技术难以兼顾PCM的高负载量与快速热响应能力。

针对这一挑战，山东某高校的研究团队在《Materials Today Communications》发表了一项突破性研究。他们创新性地将同轴静电纺丝技术与纳米碳材料结合，设计出具有核鞘结构的复合相变纤维。该研究以PEG为能量存储核心，聚丙烯腈(PAN)为保护鞘层，并通过精准调控碳纳米管(CNTs)的分布位置，实现了光热转换与热调控功能的协同优化。

关键技术方法
研究采用同轴静电纺丝技术制备纤维，核心参数包括PEG进料速率(0.05-0.2 mL/h)和CNTs掺杂浓度(1%)。通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征纤维形貌，差示扫描量热仪(DSC)和热重分析仪(TG)测试热性能，并搭建模拟太阳光系统评估光热转换效率。

研究结果
1. 纤维形貌
SEM显示当PEG进料速率为0.2 mL/h时，纤维呈现完整核鞘结构且无PEG渗漏。TEM图像清晰可见PEG被PAN完全包裹，形成直径均匀的连续纤维。

2. 热性能提升
DSC测试表明，将CNTs负载于PAN鞘层的PEG@PAN/CNTs_1%纤维熔融焓达67.51 J/g，比CNTs位于PEG核层的对照组提高23%。TG分析证实其分解温度提升至300^oC以上，50次冷热循环后焓值保持率>95%。

3. 光热转换突破
在模拟太阳光下，PEG@PAN/CNTs_1%纤维180秒内升温至56^oC，较无CNTs样品提速3倍。这是由于CNTs的全光谱吸收特性显著增强了光热转换效率。

结论与意义
该研究通过巧妙的核鞘结构设计和CNTs空间分布调控，成功解决了PCM应用中的三大难题：首次实现PEG的高负载(>30wt%)与零泄漏共存；创新性地利用CNTs双重功能（导热增强+光热转化），使纤维兼具高储能密度(>67 J/g)和快速热响应(ΔT>50^oC/3min)；建立的"鞘层导热网络"策略为同类研究提供新思路。

这项成果不仅为智能调温纺织品、光热医疗敷料等应用开辟新途径，更通过将可再生能源存储与太阳光直接利用相结合，为碳中和目标提供了创新技术支撑。研究揭示的"材料结构-热力学性能-光热响应"关联规律，对下一代多功能相变材料的开发具有重要指导价值。