科学家开发新型可穿着相变材料，棉花般蓬松，隔热媲美羽绒，还能自动调温
在一次雨天进行的实验中，预期铺展成薄膜的聚丙烯腈纤维，却意外堆积成一团气凝胶状的结构。这一曾被搁置的发现，后续成为一种新材料的骨架。将它与相变材料结合后，不仅具备了棉花般蓬松柔软的手感，保暖效果更可媲美羽绒，而且还能主动调温。
这种材料被命名为相变纤维气凝胶（PCFA），由中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）史全研究员团队研发而成。相关成果近日发表于美国化学会期刊《美国化学会能源快报》 （ACS Energy Letters ）。
会放热的纤维，为什么留不住热
近十年来，人体热管理成为材料领域的研究热点，但能同时兼顾保暖与调温的织物并不多见。
谈及切入相变纤维研究的初衷，史全研究员告诉 DeepTech， 契机源于一个简单的设想，他们希望能让原本质地刚硬、易泄露的相变材料，变得像衣服布料一样柔软、舒适、安全。
相变材料（PCM）是一类在固液转换时能够吸收或释放大量潜热、且自身温度基本不变的物质。若能找到一种熔点落在人体舒适区的 PCM 应用于衣物，理论上便可实现自动调温。围绕这一思路，学界已发展出两条主要技术路线：用静电纺丝直接制造相变纤维薄膜，或用湿法纺丝生产出可进一步编织加工的相变纤维。
团队此前已在湿法纺丝和可编织固-固相变纤维领域积累了丰富经验，掌握了稳定可控的纺丝工艺与封装策略。但应对寒冷环境，团队发现相变纤维虽然能够放热，但热量会通过纤维骨架快速散失，保温成为材料的短板。
自然界和工业界有不少成熟的保暖方案：棉花、羽绒凭借蓬松结构锁住静止空气，而空气本身就是极佳的隔热介质；合成纤维气凝胶则利用超高孔隙率达到接近静止空气的隔热水平，是当前最好的隔热材料之一。
但在团队看来，这两种方案各有缺陷，天然纤维怕水，棉花吸湿受潮后结构塌陷，保暖性能骤降，湿透的棉衣在低温下甚至会加速人体失温；合成纤维气凝胶虽具备较好的疏水性，然而上述方案都聚焦于隔热，并不涉及调温功能。
研究者由此提出了一个理想化的假设： 如果相变纤维拥有了类似棉花的蓬松结构，就能同时保留调温能力与隔热性能，成为一种“完美”的低温环境下人体热管理材料。
图 | 棉花般蓬松的相变纤维（来源： ACS Energy Letters ） “朝花夕拾”，捡起几年前的意外发现
如何实现？团队突然想到他们曾经做过的一次聚丙烯腈（PAN）静电纺丝实验。史全研究员回忆，当时团队的目标本是制备纤维薄膜，但在一次阴雨天开展的实验中，PAN 纤维并未像往常那样铺展成致密薄膜，而是不断堆积，最终形成了一种蓬松的气凝胶结构。
经文献调研和机理分析，他们找到了背后的原因。这次实验意外实际上是一种被称为高湿度电纺的技术机制：PAN 等疏水性较强的聚合物，在高湿度下容易发生相分离，空气中的水分与纤维里的溶剂快速交换，诱导聚合物析出，从而使纤维间形成大量孔隙。
由于这一结构与当时的制备目标不符，团队并未继续深入。直到几年后启动相变纤维气凝胶课题时，他们才重新发现了这个蓬松骨架的价值——它恰好具备优良的隔热基础。虽然存在回弹较差，缺乏结构支撑等力学缺陷，但团队认为可通过复合策略加以弥补：只需引入一种有弹性的搭档材料，二者共纺，即可有效改善力学性能。
要找到合适的配对材料并不容易。团队系统筛选了一系列聚合物材料体系，反复调整纺丝参数和共混比例。
史全告诉 DeepTech，这一步是整个研究中最具挑战的环节：方向虽然明确，但依然走了不少弯路。在纺出大量失败的纤维薄膜后，团队最终确定了 PAN 和热塑性聚氨酯（TPU，一种兼具橡胶弹性和塑料强度的聚合物）的组合方案。其中，PAN 负责建构三维骨架，TPU 则承担可逆回弹的功能。
蓬松的隔热骨架成型后，下一步便是给材料加入可调温的相变功能。史全团队先后尝试了多种纺丝方案，试图让相变材料复合到气凝胶纤维中。但二者亲和性较差，极易导致纤维坍塌、破损，甚至泄漏，且均没能兼顾“工艺简单可放大、隔热调温一体、力学耐久”的综合要求。
因此团队转向技术路线较为成熟的相变微胶囊策略：核壳结构设计将相变材料严密包裹在芯层内部，既能有效隔绝外界环境，又能从根本上避免泄露风险以及与聚合物的不良相互作用。团队选择了一种相变温度在 26℃ 左右相变微胶囊材料，调温范围正好是人体感到舒适的温度区间。
材料的双重封装由此初具雏形：先用一层壳护住相变材料，再通过静电纺丝将微胶囊进一步裹入纤维之中。实验表明，这一策略显著提升了材料的储热稳定性，有效抑制了相变材料的泄漏，同时也减轻了其对整体纤维力学性能的不利影响。
导热接近静止空气，循环一千次还能保持优越性能
隔热是 PCFA 最突出的性能优势：孔隙率高达 99.6%，热导率已十分接近静止空气，且远低于致密相变薄膜和普通相变纤维膜。
它还具备一项独特的温度响应特性：当环境温度从 40℃ 降到零下 20℃ 时，其热导率下降约 21%，越冷越保温。
在疏水性方面，PCFA 由 PAN、TPU 和相变微胶囊等非亲水材料构成，吸湿率仅约 1.6%，是棉花（5.9%）的四分之一，解决了天然纤维吸湿后保暖性能下降的问题。
耐久性同样表现优异：PCFA 可承受相当于自重 2,500 倍的拉力，1,000 次压缩循环后产生的塑性形变仅 0.96%；1,000 次相变循环后（按一日一循环计，约相当于三年的常规使用），材料性能几乎不衰减；洗 20 次结构不散、纤维不断、微胶囊不脱落，潜热保留率高达 97.7%。
关于服装领域尤为关注的透湿性与亲肤性问题，史全表示， PCFA 瞄准的是极寒环境这一特定应用场景，在此类条件下，人体的首要风险在于失温和冻伤。 PCFA 的低吸湿性使其在冻雨、冰雪或高湿空气等恶劣天气中依然能够维持稳定的隔热性能，这正是其相较于天然保温材料的关键竞争力所在。