人体皮肤和衣服之间的微气候环境是维持生理热湿平衡的主要界面，其动态稳定性直接影响热舒适性、身体机能甚至健康状态。然而，传统纺织品主要依赖被动隔热机制，缺乏对环境温度变化的自动调节能力，难以在复杂环境中稳定维持人体的核心体温，从而增加患热相关疾病的风险。智能纺织品可动态调节自身结构与功能以适应温度、湿度、光照等环境刺激。通过智能纺织品维持人体动态微气候，对人体健康和认知表现具有重要生理意义。目前，许多智能纺织品利用固‐液相变材料(phase change materials，PCM)通过潜热吸收与释放来进行热缓冲。然而，相变材料在融化时易发生泄露问题，导致热调节功能严重下降。此前，研究人员通常会采取多孔吸附或微胶囊化的方式对相变材料进行封装，但是这些封装方法在长期使用过程中存在稳定性不足的问题，并未解决相变材料容易泄露的问题。为此，本文提出将分子共价接枝与纳米结构工程相结合的方法，把固-固相变材料solid–solid phase change materials，SSPCMs）与电纺纳米材料集成在一起，，制备出无泄漏、超稳定的固态相变纳米纤维膜（solid-solid phase change nanofibers，SSPCFs）。该方法通过分子共价接枝将聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）相变单元锚定在聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）主链上，并进一步通过静电纺丝构建具有多孔结构的纳米纤维网络，从而获得兼具无泄漏、高相变焓、超疏水性以及优异的机械稳定性的多功能纤维膜。该纤维膜具有稳定的双向热管理能力，吸热区间为 27.8–42.9 ℃，放热区间为 5.1–21.2 ℃，两者相互补充，可有效覆盖人体热舒适温度范围。同时，该材料还具有优异的水分管理能力，其水接触角达到 159.3°，耐静水压超过 92.7 kPa，水蒸气透过率可达 11.66 kg·m⁻²·d⁻¹。该研究为智能热管理纺织品提供了一种可规模化制备的稳定材料体系，为下一代可穿戴热湿调控材料的发展提供了新的设计思路。
相关工作以Engineered multifunctional nanofibrous membranes with solid-solid phase change for adaptive personal thermal management为题发表在Chemical Engineering Journal期刊。
为了解决传统相变材料易泄露、耐久性差的问题，本研究采用分子共价接枝策略，将 PEG固态相变单元固定于TPU主链上，通过单步静电纺丝制备出固态-固态相变纳米纤维膜（SSPCFs）（图1）。通过调节N,N-二甲基乙酰胺（N,N-dimethylacetamide，DMAc）与四氢呋喃（Tetrahydrofuran，THF）溶剂比例和TPU含量，SSPCFs形成了连续均匀的三维纤维网络（图2），使孔径分布控制在0.25–0.39 μm，孔隙率可达78.2%，保证了蒸汽的快速传输和阻止水的渗入。在此基础上，研究人员对SSPCF的防水性、透湿性和机械性进行了定量评估（图3）。评估结果表明，SSPCFs具有超疏水特性，水接触角最高达159.3°。同时，该膜还具有比较高的防水压力（92.7 kPa）、出色的水蒸气透过率（11.66 kg m⁻² d⁻¹）以及良好的强度和柔韧性。研究人员对材料的相变储热性能及热调控能力进行了系统表征（图4）。差示扫描量热法（Differential scanning calorimetry，DSC）测试结果表明，SSPCF-3的相变潜热达到83.4 J g⁻¹吸热区间为27.8–42.9°C，放热区间为5.1–21.2°C，可有效覆盖人体热舒适范围。热循环测试结果显示材料在100次循环后仍保持超过99%的潜热储存能力，表现出优异的热稳定性。该研究通过结构设计与材料工程的协同作用，实现了稳定相变储能、防水透湿及耐久性能的高度集成，为智能可穿戴热湿管理纺织品提供了新的设计思路。
图1. (a) SSPCMs的合成结构示意图。(b) SSPCMs在加热/冷却循环中的工作机理。(c) SSPCF的制备示意图。(d)大尺寸SSPCF的实拍图。(e)不同环境下SSPCF的热调控（储热/释热）与湿度管理（汗液蒸发）示意图。(f)不同环境温度下SSPCF与TPU的热调控性能对比。(g) SSPCF的透气性与透湿性。
图2.不同比例DMAc/THF混合溶剂制备的SSPCFs的SEM图像：(a)纯N,N-二甲基乙酰胺（上）和纯四氢呋喃（下）；(b) 1:2；(c) 2:1；(d) 1:1。(e) N,N -二甲基乙酰胺/固-固相变材料（SSPCM）、四氢呋喃/SSPCM及N,N -二甲基乙酰胺/H₂O的分子模型；(f)上述体系的相互作用能。(g)三维（3D）静电场分布（左）与射流速度分布（右）。(h)溶液性质：电荷密度与黏度。(i)模拟参数：混合溶剂体系中的电场力（F）与射流速度（V）。(j)孔径分布；(k)最大孔径与平均孔径；(l)TPU共混膜的膜孔隙率。
图3. (a) SSPCF膜的防水性能演示。(b)多孔膜的防水与透湿机理。(c)光学轮廓仪图像。(d)不同TPU混合比例的SSPCF膜的算术平均粗糙度（Ra）与水接触角。(e)不同TPU混合比例的SSPCF膜的拒液性与透湿性。(f) SSPCF膜的拉伸应力-应变曲线。(g) SSPCF-3膜在1000次拉伸加载-卸载循环中的耐久性。(h)反复洗涤后SSPCF-3膜的水接触角、透湿量与耐静水压。
图4. (a)聚乙二醇（PEG）与不同质量比SSPCFs的结晶DSC曲线；(b)其熔融DSC曲线。(c) SSPCF膜的焓值。(d)不同质量比SSPCFs的TGA。(e)热循环稳定性：SSPCF-3经100次循环后的DSC曲线。(f) SSPCF-3在一次加热-冷却循环中的温度-时间曲线。(g) SSPCF-3在热循环过程中的红外热成像图。(h)焓值、防水性及透湿性与已报道材料的对比。
小结：综上所述，本研究突破传统相变材料的封装策略，提出了一种分子工程化的共价接枝方法，将聚乙二醇（PEG）相变单元固定在热塑性聚氨酯线性网络中。该方法将相变过程完全限制在固态框架内，从根本上解决了传统相变材料在固–液转变过程中易发生泄漏的问题。结合单步静电纺丝技术，成功制备出固–固相变纳米纤维（SSPCFs）。该材料同时具备三大核心功能：第一，材料具有稳定的双向热管理能力，其相变焓高达 83.4 J g⁻¹。吸热区间为 27.8–42.9 ℃，放热区间为 5.1–21.2 ℃，两者相互补充，可完全覆盖人体热舒适温度范围。第二，材料具有良好的环境防护性能，其水接触角为 159.3°，耐静水压超过 92.7 kPa，水蒸气透过率达到 11.66 kg m⁻² d⁻¹。第三，该材料具有优异的耐久性。在100 次热循环后，相变焓保持率达 99%。在 30 次洗涤后，整体性能仍可保持 98.5% 以上。这种新型相变材料通过消除不可避免的液 - 固界面，从根本上解决了传统固–液相变材料长期存在的泄漏问题。同时，结合设计的微纳结构，该材料能够同时满足智能纺织品对实时温度调控、环境适应性以及长期稳定性的多重需求，从而突破了热响应纺织品长期面临的技术瓶颈。该技术在智能医疗敷料和自适应运动服装等领域具有巨大的应用潜力。例如，在医疗敷料中可实现伤口温度的动态维持，在运动服装中可实现热湿协同调控。结合其可规模化的制备路径，该技术有望在医疗健康和可穿戴电子领域推动个性化热管理技术的发展。
论文信息：.Ni, Haiyan, et al. "Engineered multifunctional nanofibrous membranes with solid-solid phase change for adaptive personal thermal management."Chemical Engineering Journal (2026): 173144.
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