《Research》：Gelatin-Mediated Interfacial Engineering of Cellulose-Based Phase Change Foams for Temperature-Adaptive Thermal Regulation
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隔热材料被广泛应用于各种场景的热管理，但传统材料仅能阻隔热传递，导致在阻止外部热量侵入与保持室内热量之间存在显著权衡。本研究报道了一种通过明胶介导的界面工程构建的温度自适应生物复合泡沫（CPF）。该材料具有各向同性的层级多孔结构，最大孔隙率达95
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隔热材料被广泛应用于各种场景的热管理，但传统材料仅能阻隔热传递，导致在阻止外部热量侵入与保持室内热量之间存在显著权衡。本研究报道了一种通过明胶介导的界面工程构建的温度自适应生物复合泡沫（CPF）。该材料具有各向同性的层级多孔结构，最大孔隙率达95.9%，表现出0.039 W/(m·K)的导热系数和0.54的降噪系数（NRC）。得益于明胶对相变微胶囊（PCMCs）在Plateau边界处的锚定效应，该泡沫可承受高达其自身重量481倍的负载而不变形。它还具备140.7 J/g的焓值，有效调和了密闭空间中隔热与散热之间的矛盾。此外，这种可逆的分子尺度结构设计赋予了CPF闭路循环可回收性。本研究为开发全天候、温度自适应的热管理材料提供了一种有前景的策略。
论文解读文章
研究背景与问题
随着温室效应加剧和极端天气频发，建筑领域的能耗在全球能源使用中的占比持续攀升，仅供暖和制冷所需的能量就超过全球总量的10%。当前主流建筑保温材料如聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚氨酯（PU）和发泡聚乙烯（EPE）等聚合物泡沫，大多源自不可再生资源，生产过程能耗高、碳足迹大，且难以生物降解。纤维素作为地球上最丰富的天然高分子，虽具备高强度、可持续性和可生物降解等优势，但将其转化为低密度、低导热的多孔材料通常涉及复杂的机械解纤或碱-尿素溶液再生工艺，且常需使用有毒化学表面活性剂和交联剂。更重要的是，这些传统隔热材料仅依赖静止空气的低导热性实现被动隔热，缺乏主动的热转换与调控机制，因而面临抑制外部热量进入与散发内部热量之间的固有矛盾。因此，亟需开发能够动态响应并调节温度的自适应热管理材料。
研究内容与结论
为解决上述挑战，研究人员采用一步模塑成型策略，利用明胶作为发泡剂和界面粘合剂，制备出一种明胶介导的界面工程化纤维素基复合相变泡沫（CPF）。在该体系中，纤维素作为基底，相变微胶囊（PCMCs）赋予材料动态热管理性能，而明胶则原位锚定PCMC颗粒，显著增强了材料的结构稳定性和热能管理效率。稳态下，纤维素与明胶分子链的缠结网络及层级多孔结构使CPF达到95.9%的孔隙率和0.039 W/(m·K)的导热系数；瞬态温度波动时，PCMC通过相变吸放热，提供140.7 J/g的焓值，增强热容量并延缓热传播。厚度15 mm的CPF样品还展现出优异的吸声性能，降噪系数达0.54。与传统商业泡沫相比，CPF兼具可模塑性、热稳定性及闭路循环可回收性。该研究成果发表于《Research》期刊。
关键技术方法概述
研究人员主要通过以下关键技术开展研究：采用甲酸/过氧化氢体系对杨木粉进行化学处理以提取纤维素；利用机械搅拌发泡结合明胶的热可逆凝胶化行为制备稳定的湿泡沫；通过冷冻干燥技术固化多孔结构；运用化学气相沉积法接枝聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行疏水改性；采用密度泛函理论（DFT）计算静电势（ESP）和结合能（BE）以揭示组分间相互作用；借助扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、微型计算机断层扫描（micro-CT）和小角X射线散射（SAXS）等手段对材料微观结构与性能进行表征。
研究结果
界面结构设计与表征
研究人员通过DFT计算发现，明胶与纤维素间的结合能为-87.27 kcal/mol，表明二者通过多重氢键形成强健骨架网络；明胶与聚脲的结合能大于纤维素与聚脲的结合能，证实明胶作为界面粘合剂增强了PCMCs的锚定强度。FT-IR光谱显示纤维素O-H伸缩振动峰在引入明胶和PCMCs后发生红移，证实组分间形成了氢键作用。酰胺I带解卷积分析表明，PCMCs的加入诱导明胶分子链构象重排，增大了β-折叠峰面积，强化了分子间氢键。Micro-CT重建和2D SAXS图案共同揭示了CPF各向同性的层级多孔结构及PCMCs的均匀分布。
力学与隔热性能
CPF3.5可支撑自身重量481倍的负载而不变形。压缩测试显示其在50%应变下的压缩应力为86.9±1.8 kPa，应力-应变曲线呈现弹性形变、塑性形变和致密化三个阶段。三点弯曲测试表明断裂应变达50%-70%，弯曲强度为69.3±6.7 kPa。导热系数随PCMC含量增加从0.035 W/(m·K)升至0.046 W/(m·K)，归因于Plateau边界增厚增加了固相传热路径。但在50°C条件下，CPF3.5的温升速率明显低于CPF0，热红外成像进一步证实其热传播速率显著慢于CPF0、EPE和PS泡沫，体现了PCMC吸热效应带来的热延迟特性。
热调控性能与热稳定性
DSC测试显示CPF的相变焓随PCMC含量增加而增大，当纤维素与PCMC质量比为1:5时，熔融焓和结晶焓分别达157.3 J/g和161.2 J/g。相变温度几乎不受PCMC添加量影响，结晶温度约21.0°C，熔融温度约36.5°C。XRD结果表明PCMC中正二十烷的晶体结构未受纤维与明胶交联网络影响。热冲击测试中，CPF3.5在50°C加热40分钟内表面温度稳定维持在约25°C，冷却阶段降温时间较CPF0、EPE和PS泡沫延长一倍以上。50次循环测试证实其优异的循环稳定性。在60°C加热24小时后泄漏率仅为1.0±0.3%；120°C高温环境下，CPF0和CPF3.5均保持结构完整，表面温度约40°C，而EPE和PS泡沫发生熔化或热变形。建筑模型实验表明，覆盖CPF3.5的模型在50°C加热后的内部平衡温度显著低于PS泡沫组，表面温度也更低。
疏水性、吸声、闭路循环可回收性与生物降解性
经PDMS气相沉积处理后，CPF的水接触角提升至124°，由亲水转变为疏水。15 mm厚的CPF3.5在100-6300 Hz频率范围内展现出优异宽带吸声性能，2000 Hz附近吸声系数峰值约0.95，平均吸声系数达0.83，降噪系数为0.54，优于多种已报道吸声材料。噪声衰减测试中，CPF3.5将102.2 dB噪声降低23.0 dB，优于EPE和PS泡沫。闭路循环回收方面，废弃CPF经粉碎、水中分散、高速剪切及少量明胶再发泡后可重新成型，回收泡沫密度低至0.035 g/cm3，仍保持层级多孔结构和优良温控性能。土壤掩埋60天后，CPF3.5发生严重结构塌陷和体积缩减，SEM和FT-IR证实明胶及部分纤维素被微生物降解，而PCMCs保持完整球形结构，可通过清洗回收再利用；相比之下，EPE和PS泡沫在相同周期内无变化。
总结与结论
本研究报道了一种通过明胶介导的界面工程生产的温度自适应纤维素基复合相变泡沫（CPF）。CPF的结构利用明胶促进界面组装和结构增强。通过热可逆凝胶化，明胶在凝胶点以下诱导分子链转变为三螺旋结构，锁定湿泡沫中的水分并抑制气泡合并与排水。在此过程中，明胶作为表面活性组分附着在PCMCs表面，并在干燥后与纤维素形成氢键网络和物理缠结，从而将PCMCs锚定在Plateau边界内，实现了CPF的功能集成与结构增强。所制备的CPF具有低密度（0.044 g/cm3）、低导热系数[0.039 W/(m·K)]、可与商业泡沫媲美的隔热性能以及良好的力学支撑性能。PCMCs的相变能力赋予了CPF优异的热调控性能，且其在120°C下仍表现出热稳定性。这种将功能组分精确整合到生物质骨架中的策略拓宽了生物质泡沫的潜在应用领域，并为建筑热管理和先进热防护系统的可持续发展提供了新的解决方案。
