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相变材料（PCMs）因其在相变过程中高效储存和释放潜热的特性，在热能管理和温度调节领域展现出重要应用前景。然而，传统相变材料在应用中面临显著挑战：固体与液体两相间存在明显性质差异，往往伴随泄漏风险、形状稳定性差、机械性能不足以及缺乏黏附性等问题，限制了其在柔性可穿戴设备及复杂结构场景中的实际应用。
近期，一项发表于《Advanced Functional Materials》的研究提出了一种基于超分子工程的新型解决方案，成功制备出集高效储热、机械稳定性、强黏附性和智能响应于一体的多功能相变凝胶材料。这项研究通过聚乙烯醇、高分子网络和磺化纤维素纳米纤维的多级相互作用，构建了一种结构稳定且功能可调的新型复合材料。
图1. 超分子网络的构建及SPCG的表征 a) SPCG制备的示意图。b) SPAH和SPCG的扫描电子显微镜图像。c) 通过能量色散光谱（EDS）测定SPCG中SCNF内S元素的分布。d) SPCG在熔融态和刚性结晶态下的尺寸稳定性展示。e) SPCG在熔融态（上）和结晶态（下）之间的模量、柔韧性、粘附性和透明度的变化。f) 本研究与先前研究的综合优势对比雷达图。
SPCG展现出优异的力学性能与状态可切换特性。在结晶态（25°C），其拉伸强度达3.2 MPa，弹性模量高达62.4 MPa；而在熔融态（60°C），材料转变为柔性凝胶，断裂应变可达419.2%。这种显著的性能转变源于PEG的热致相变。
图2. SPCG的力学性能和尺寸稳定性。a) SPCG在结晶态（25°C）和熔融态（60°C）下的拉伸应力-应变曲线。b) SPCG在熔融态和结晶态下的弹性模量。c) 频率为1 Hz时，SPCG在拉伸模式下的温度依赖性动态力学分析（DMA）结果。d) 熔融态SPCG在150%应变下的10次拉伸加载-卸载循环。e) 熔融态SPCG在拉伸加载-卸载循环下的滞后现象和回弹性。f) 熔融态SPCG在70%应变下的10次压缩加载-卸载循环。g) 含与不含SCNF的SPCG在结晶态和熔融态下的形状稳定性。h) SPCG和PCG在80%压缩前后的图像。i) 结晶态下SPCG和PCG的拉伸应力-应变曲线；j)熔融态下SPCG和PCG的拉伸应力-应变曲线。k) 熔融态下SPCG和PCG的压缩-应变曲线。
引入SCNF对增强尺寸稳定性起到关键作用。在熔融态下，含SCNF的SPCG能保持形状，而无SCNF的对照样品则发生坍塌。压缩测试表明，熔融态SPCG可承受80%应变而不失效。
通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析，证实了PEG与聚合物网络、SCNF之间存在的氢键等非共价相互作用。密度泛函理论计算进一步量化了不同组分间的结合能：PEG-SCNF相互作用为-10.7 kcal/mol，而SCNF-PAH间结合能高达-45.6 kcal/mol，表明后者作为强物理交联点，极大地增强了网络稳定性。
图3. SPCG中分级超分子相互作用的表征。a) SPAH、PEG和SPCG的傅里叶变换红外光谱。b) PEG和SPCG的C1s X射线光电子能谱。c) SCNF和SPCG的S 2p X射线光电子能谱。d) SPCG结构中相互作用的结合能。e) SPCG在25至70°C加热过程中的变温傅里叶变换红外光谱。f、g) 由变温傅里叶变换红外光谱生成的SPCG的二维相关光谱（同步和异步）。h、i) 结晶态SPCG和熔融态SPCG在不同应变下的傅里叶变换红外光谱（3800–3000 cm (3800-3000 ~cm-1)中弱、中、强氢键的面积比汇总。j,k) 不同应变下结晶态SPCG和熔融态SPCG的原位拉伸二维小角X射线散射图像和一维散射曲线。l、m) 不同应变下结晶态SPCG和熔融态SPCG的ln((q3|(q)-q2曲线和界面层厚度。
SPCG展现出状态依赖的粘附特性，这对热管理应用中的界面热传递至关重要。在结晶态，材料模量高，粘附性可忽略；而在熔融态，模量降低使其能够适应基板表面，实现紧密接触，结合丰富的羟基与羧基，产生较强粘附力；冷却固化后，粘附进一步增强，形成机械互锁。
图4. SPCG的黏附性能。a) SPCG在三种状态下的黏附示意图。b)状态I和c)状态II-III下SPCG黏附于粗糙基底的SEM图像，比例尺为bar =10 mum。d) SPCG与基底之间的表面相互作用。e) 黏附于PMMA基底上的SPCG可承受5.5 kg的剪切应力。f) 状态II和状态III下SPCG的黏附强度。g) 90°剥离试验示意图。h) 状态II和状态III下SPCG的界面韧性。i) 熔融态PCG和SPCG在钢基底上重复黏附的图像。j) 状态II下SPCG在钢基底上的循环黏附能。k) SPCG在钢基底上从状态II到状态III的循环黏附强度。
搭接剪切测试显示，从熔融态到冷却固化态，SPCG的粘附强度提升19-30倍，最高达1163.5 kPa。90°剥离测试测得的界面韧性也呈现相同趋势。更重要的是，基于可逆相变，SPCG可实现多次重复粘附-剥离循环，展现出良好的耐久性。
图6. SPCG的热性能及其在热调节中的应用。a) SPCG和纯PEG的DSC熔融和结晶曲线。b) SPCG经过1次、100次和200次熔融-结晶循环后的DSC曲线。c) 我们制备的SPCG与先前文献中的断裂应变和焓值对比。d) SPCG（厚度2毫米）在结晶态和熔融态下的透光率。e) 将SPCG与玻璃窗集成并应用于模型房屋，模拟白天高温下的透明状态和夜间低温下的不透明状态。f) 在75 ~mW ~cm-2辐照强度下以及关闭辐照后，监测覆盖有玻璃窗和SPCG窗的模型房屋（43毫米×43毫米×43毫米）的室内温度变化。g) 在75 mW cm 75 mW cm-2辐照强度下以及关闭辐照后，内部贴有或未贴SPCG（厚度1.2毫米）的模型房屋的室内温度变化。h) 贴有或未贴SPCG（厚度1.2毫米）的杯子内水的温度变化。i) 红外热成像捕捉贴有或未贴SPCG的杯子外表面和内部水的温度变化。
此外，SPCG的光学性质随相变可逆切换：结晶态不透明（透光率3.3%），熔融态高度透明（透光率94.1%）。结合其强粘附性，该材料可贴附于玻璃窗，实现白天透光、夜晚隐私保护的双重功能，并有效缓冲室内温度波动。
研究团队进一步将SPCG与碳纳米管/炭黑（CNT/CB）导电薄膜复合，构建了双响应相变凝胶（D-SPCG）。通电时，CNT/CB薄膜产生焦耳热，触发SPCG相变；通过调控电压（6-10 V）可在5分钟内使材料温度升至55-90°C，电热转换效率达66.8%。断电后，材料通过释放潜热实现持续温控。该特性为可穿戴热疗等个性化热管理应用奠定了基础。
图7. SPCG的可穿戴热管理应用。a) 双响应相变凝胶（D-SPCG）的组装。b) D-SPCG可承受弯曲、扭转和折叠变形。c) D-SPCG附着在人体不同关节部位的照片。d) D-SPCG用于热疗和户外个人热防护的概念图。e) 作为腕部热疗装置的D-SPCG（厚度2毫米）在施加和移除电压时的温度变化，纯碳纳米管/炭黑薄膜作为对照组。f) 不同照射强度下D-SPCG（20毫米×20毫米×1毫米）的温度变化。g) 在50 mW cm 50 mW cm-2条件下，D-SPCG光热转换的循环稳定性。h) 在50 mW cm50 mW cm-2的辐射强度下，附着在模型手背上的D-SPCG的红外热成像。i) 将D-SPCG与帽子集成，在户外低温环境中通过光热转换为人体提供热防护的概念图。j) 在50 mW cm 50 mW cm-2照射强度下，佩戴带有或不带有D-SPCG的帽子的木偶模型的帽子与头部之间的温度变化。
本研究通过层次化超分子工程策略，成功制备了一种集高效储热（132.5 J/g）、优异力学性能（模量0.014-62.4 MPa，应变113.4-419.2%）、可逆强粘附（强度38.0-1163.5 kPa）、形状记忆与可调光学特性于一体的多功能相变凝胶。该材料有效解决了传统相变材料泄漏、脆性、功能单一等问题。通过与焦耳热或光热转换组件集成，SPCG实现了主动、精准的智能热管理，为建筑节能与可穿戴设备等领域的自适应热管理技术发展提供了创新思路与可持续的解决方案。
参考论文:https://doi.org/10.1002/adfm.202523790
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纳米纤维及其应用
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