文獻快訊：Nat. Commun.僅需0.1%碳納米管，打造高性能智能調溫纖維

【成果掠影 & 研究背景】

全球建筑能耗占總能耗的40%，其中供暖、通風和空調系統效率低下。將熱管理從建筑環境轉移到人體微氣候的個性化熱舒適系統，是提高能效的 promising 方向。相變材料因其在相變過程中吸收或釋放大量潛熱，在可穿戴熱管理領域展現出巨大潛力，但其實際應用長期受限于儲能密度、機械強度和相變穩定性之間的權衡難題。

北京大學鄒如強、王啟寧團隊提出了一種納米技術引導的策略，成功制備出超低碳納米管增強的相變纖維。該策略將極少量的碳納米管與三維互穿聚合物網絡相結合，實現了結晶度控制與熱調節性能的顯著協同。所得相變纖維展現出雙重功能優化：一方面，得益于CNT誘導的異相成核，其具有優異的潛熱存儲能力（熔融焓ΔHm = 139.0 J·g?1，結晶焓ΔHc = 138.0 J·g?1）和熱穩定性；另一方面，纖維表現出高機械韌性（斷裂應變ε = 1530%，拉伸強度σ = 6.32 MPa）和高效的光熱能量收集效率（在120 mW·cm?2光照下η = 90.5%）。該纖維架構確保了在紡織品制造過程中超過98%的裁剪/縫紉保真度，為規模化生產節能熱調節織物鋪平了道路。

【創新點 & 圖文摘要】

創新點：

• 超低CNT含量的設計理念

  僅添加0.1 wt.%的碳納米管，遠低于常規復合材料用量，在保證高性能的同時極大降低了成本，并避免了高含量CNT導致的團聚和性能劣化。

• 三維互穿聚合物網絡的構建

  采用SEBS和HDPE形成三維互穿聚合物網絡，將相變材料n-二十二烷多維納米限域其中，有效解決了固-液相變泄漏問題，實現了無泄漏封裝。

• 熔融紡絲與多級拉伸工藝

  采用雙組分熔融紡絲及后續多級拉伸工藝，該工藝無需溶劑、經濟且可規模化。拉伸過程顯著提高了聚合物鏈取向和晶體完整性，從而同步提升了纖維的機械性能和熱性能。

• 分子動力學模擬揭示機理

  通過系統的分子動力學模擬，從原子層面揭示了超低含量CNT作為異相成核劑，通過降低界面能和應變能來降低成核勢壘、加速結晶的動力學校心機制，以及CNT濃度對結晶和力學行為的雙重調控作用。

• 多功能集成與可穿戴驗證

  最終獲得的相變纖維及織物集高潛熱、高機械性能、高光熱轉換效率于一體，并成功集成到服裝中。戶外實測表明，該智能服裝能將人體體感溫度調節約5°C，展示了其在個人熱管理中的實際應用潛力。

圖1：C22/CNT@HDPE-SEBS復合材料、C22/CNT纖維及PCM基織物的制備流程示意圖。

圖2：C22/CNT3纖維的結構表征。

圖3：C22、HDPE、SEBS和C22/CNT纖維的熱性能，以及CNT在結晶過程中誘導結晶機制的MD分析。

圖4：在綜合全組分體系中CNT誘導結晶機制的MD分析。

圖5：不同CNT含量的C22纖維在拉伸過程中的力學性能及取向增強機制的MD分析。

圖6：CNT-PCTRFs用于可穿戴熱管理的光熱及太陽能-電能轉換性能。

【總結 & 原文鏈接】

本研究提出了一種可規模化、經濟高效的物理交聯策略，用于制備具有高熱存儲密度和長期穩定性的相變纖維。通過集成三維互穿聚合物網絡限域工程、CNT誘導的結構調控和可擴展的制造范式，成功解決了相變材料在可穿戴應用中儲能、機械與穩定性的傳統矛盾。超低CNT的引入實現了潛熱放大、熱傳輸加速、韌性增強和熱可靠性的多功能協同提升。分子動力學模擬從機理上支撐了CNT誘導結晶和梯度界面工程誘導纖維取向這兩大關鍵機制。所制備的相變織物展現出優異的光熱和光熱電轉換特性，并通過裁剪和常規縫紉技術驗證了其與現有紡織工業的兼容性。這項工作為可擴展的高性能可穿戴熱能存儲系統建立了通用設計原則，架起了實驗室相變工程與工業級可穿戴熱系統之間的橋梁。

原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68951-x

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