基于分层多孔石墨烯气凝胶纤维的多模式热调节技术

《CARBON》：Multi-Mode Thermal Regulation Enabled by Hierarchically Porous Graphene-Based Aerogel Fibers

【字体：大中小】 时间：2026年04月29日 来源：CARBON 11.6

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天津天工大学材料科学与工程学院，中国天津300387

摘要

随着极端天气事件的频繁发生，个人热管理变得越来越重要。本文通过同轴湿法纺丝技术成功制备了具有层次多孔结构的石墨烯气凝胶纤维（GAF），表现出优异的热管理性能。所制备的聚丙烯腈包裹聚乙烯醇/羧甲基纤维素/石墨烯（PAN@PCG）气凝胶纤维具有结构稳定的石墨烯气凝胶（GA）核心层和多功能聚丙烯腈（PAN）包覆层。柔性聚乙烯醇（PVA）骨架和一维线性羧甲基纤维素（CMC）的加入有效控制了核心层GA的微观结构。此外，包覆层由于双向相分离而具有层状多孔结构。PAN@PCG气凝胶纤维丰富的孔结构使其具有高孔隙率（91%）、低密度（0.12 g/cm3）和优异的隔热性能（0.032 W/(m·K)）。PAN@PCG气凝胶纤维的高度多孔结构使其能够有效封装相变材料。所得到的十八烷/PAN@PCG（ODA/PAN@PCG）纤维表现出显著的包覆层透射率变化，潜热为149.2 J/g，光热转换效率高达90.1%。由ODA/PAN@PCG组成的太阳能-热电转换系统在3 kW/m2的模拟太阳辐照下输出电压为284.2 mV。此外，热致变色微胶囊赋予了纤维可逆的颜色变化能力，可作为视觉警报。本研究提出了一种可行且有效的方法来制备具有优异热管理性能的GAF，为节能和个人热管理提供了有前景的应用选择。

引言

保持热舒适性和代谢功能是人体保暖的基本需求[1]、[2]、[3]。然而，用于维持人体热舒适性的方法，如空调、电加热器和燃料加热，占能源消耗的很大比例，并对环境产生不利影响[4]、[5]、[6]。调节人体周围的微气候以维持热舒适性是减少能源消耗的有效方法。然而，传统的纺织材料，如棉、羊毛和羽绒填充物，仅通过增加厚度和质量来实现隔热效果，但舒适性和活动性随之降低[7]、[8]、[9]。因此，迫切需要开发轻质、高性能的调温纺织品。相变材料（PCMs）在维持人体热舒适性方面具有广泛的应用前景[10]、[11]，因为它们可以在环境温度变化时储存和释放大量热能。将PCMs整合到纺织品中可以通过帮助稳定微气候温度来提供额外的调温功能。不幸的是，PCMs存在一些局限性，包括低导热性和泄漏风险，这可能阻碍其实际应用。为了解决这些问题，研究人员通过将有机PCMs封装在微胶囊、聚合物和多孔基质中开发了形状稳定的相变材料（SSPCMs）以提升其性能[12]、[13]、[14]、[15]。

石墨烯气凝胶纤维（GAF）结合了气凝胶的低密度和高孔隙率以及纤维的柔韧性和可编织性，为能量存储[16]、[17]、热管理[18]、水分收集和屏蔽[19]等领域带来了广泛应用前景。此外，它们可以有效封装PCMs，从而实现更好的热管理并提高整体导热性[16]。然而，石墨烯气凝胶（GA）通常以块状形式生产，其庞大的体积和较差的柔韧性限制了其在可穿戴应用中的广泛采用[20]、[21]、[22]。因此，使GA在柔性、可拉伸和轻质纺织品中的应用受到更多关注[23]、[24]。湿法纺丝技术已成为制备GAF的最可行方法，它结合了气凝胶的优异隔热性能和纤维的柔韧性和可编织性。Zhang等人通过湿法纺丝制备了柔韧、强度高且自清洁的石墨烯气凝胶复合纤维，在多种刺激下具有可调的热转换和存储功能[18]。Zhang等人通过湿法纺丝制备了具有高效吸湿、热量分配和微波吸收功能的吸湿多孔GAF[19]。具有多孔石墨烯框架的GAF本质上脆且易碎，大规模制备GAF纺织品仍然是一个挑战。研究人员建议采用芯-壳设计，使用低浓度GO纺丝液形成核心气凝胶纤维，并添加高强度聚合物包覆层以改善机械性能[25]、[26]。然而，在从GO溶液制备GA的过程中，由于化学还原和随后的冷冻干燥的协同效应，会发生显著的体积收缩[27]、[28]，这导致芯-壳GAF的多孔网络塌陷，从而恶化其性能。因此，加强GA核心层的微观结构以制备性能优异的芯-壳结构GAF至关重要。

在这项工作中，我们采用双向相分离技术将层次多孔的聚丙烯腈（PAN）包覆层工程化到聚乙烯醇/羧甲基纤维素/石墨烯（PCG）气凝胶纤维（作为核心）上，从而形成了具有层次多孔结构的芯-壳GAF。PAN包裹的PCG气凝胶纤维（PAN@PCG）是通过同轴湿法纺丝技术结合水热还原和冷冻干燥制备的。聚乙烯醇（PVA）交联和羧甲基纤维素纳米纤维（CMC）强化的石墨烯气凝胶（PCG）核心有助于减轻GA的结构收缩。同时，PAN包覆层确保了结构完整性和可编织性，在与PCMs结合时表现出显著的光透射率变化。PAN@PCG气凝胶织物由于其多孔结构而具有高孔隙率、低密度和隔热特性。随后，所得到的ODA浸渍PAN@PCG气凝胶纤维（ODA/PAN@PCG）表现出优异的光热转换和储热性能。ODA/PAN@PCG织物的出色光热转换性能使其在太阳能-热电能量转换和热致变色等领域表现出卓越的性能。这项工作的创新之处在于PAN@PCG气凝胶纤维的核心和包覆层的微观结构设计。这种设计赋予了纤维层次多孔结构，同时保持了可编织性，促进了PCM的有效整合，产生了具有高潜热、稳定性和优异光热转换性能的复合纤维。这些优势使智能织物在热管理纺织品和设备中具有广泛的应用潜力。

部分摘录

材料

约5 μm大小的GO由江苏先锋纳米材料科技有限公司（中国）提供。CMC从上海Macklin生化有限公司（中国）购买。PVA（1799）和PAN（分子量250,000）从上海化学有限公司（中国）购买。1～5 μm大小的热致变色微胶囊从广州晟赛科技有限公司（中国）购买。乙二胺（EDA）和二甲基甲酰胺（DMF）由Aladdin有限公司（中国）提供。所有材料

ODA/PAN@PCG的制备和表征

图1展示了ODA/PAN@PCG织物的制备过程。PAN包裹的GAF是通过同轴湿法纺丝结合后处理工艺制备的。PAN作为包覆层，复合GA作为核心层。图S1显示了纺丝溶液的流变性能，表明核心层和包覆层的纺丝溶液具有高度兼容的粘弹性。纺丝喷嘴由同轴内外层组成

结论

我们成功制备了具有层次多孔结构的芯-壳GAF，用于先进的热管理应用。通过结合水热还原和冷冻干燥过程的同轴湿法纺丝技术，PCG作为核心层，而PAN包覆层提供了保护，形成了坚固的芯-壳结构气凝胶纤维。引入PVA作为增强相有效抑制了GA在水热还原过程中的体积收缩

CRediT作者贡献声明

Jin Wang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，研究，概念化。Chang Ma：监督，研究。Xiangyuan Yan：研究。Guangpeng Luo：研究。Qiankun Sha：研究。Na Han：撰写 – 审稿与编辑，监督，研究，概念化。Xingxiang Zhang：监督，研究。Wei Li：监督，研究

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