高效光热与柔性固-固相变材料集成策略及其在寒冷环境下个人热管理中的应用研究

《iScience》：Integration of efficient photothermal and flexible solid-solid PCM for personal thermoregulation in cold environments

　　本文针对个人热管理(PTM)技术成本高、环境适应性差等问题，研究团队通过将相变材料(PCMs)与光热转换技术相结合，成功制备出兼具高效光热转换与柔性固-固相变性能的复合材料。该材料具有高导热系数(2.9 W·m-1·K-1)、高相变焓(184 kJ/kg)和超过90%的光吸收率，在南极中山站等极端寒冷环境下可维持16°C以上温度达8小时，为可穿戴热管理服装提供了创新解决方案。

　　

在寒冷环境中维持人体热舒适性一直是户外工作者、极地科考人员和特殊行业从业人员面临的重要挑战。35年前，Frisby公司总裁首次提出将相变材料(PCMs)应用于可穿戴服装以储存体热的概念，开启了个人热管理(PTM)技术的新篇章。随着技术进步，全球PCMs市场规模从2020年的47.7亿美元预计将增长至2025年的100亿美元以上，其中亚太地区占比超过40%，中国在建筑节能和新能源领域的应用占比超过60%。

然而，传统的固-液PCMs存在导热性差、高温易泄漏等局限性，严重制约了其实际应用。为解决这些问题，科学家们近年来开展了一系列复合改性研究，推动光热转换与相变储热技术的融合发展。在这一背景下，Peijia Bai、Qiaoying Yang和Shixiong Yu研究团队在《iScience》上发表了创新性研究成果，成功制备出高效光热柔性固-固相变复合材料，为寒冷环境下的个人热管理提供了新的技术路径。

研究团队采用的关键技术方法包括：通过聚烯烃弹性体(POE)交联网络构建三维柔性骨架增强防泄漏性能；利用还原氧化石墨烯(rGO)的高导热性和光热效应提升材料性能；采用二氧化硅气凝胶包覆实现隔热保温；通过模拟南极中山站极端环境验证材料实际应用效果。实验材料包括POE、石蜡PCM、rGO等，通过内部混合、交联、复合等工艺制备复合材料，并利用SEM、DSC、UV-Vis-NIR等技术进行表征。

RESULTS AND DISCUSSIONS

Experimental measurements

研究团队首先构建了光热相变复合材料的制备流程。如图1A所示，50克POE在150°C下密炼5分钟后，加入0.35克过氧化二异丙苯(DCP)作为交联剂继续处理5分钟，形成交联POE网络。该网络作为柔性三维骨架，有效增强了PCMs的抗泄漏性能并赋予优异的循环稳定性。随后，将交联POE与适量熔融PCM在80°C下搅拌4小时，再加入rGO继续搅拌4小时，冷却后获得相变复合材料。

材料展现出优异的加工成型性能，可通过模压制成预定形状和尺寸。经隔热二氧化硅气凝胶包覆后，块体相变复合材料(10×10×1.5厘米)在极端寒冷环境中表现出高效的光热相变储热能力。如图1B所示，即使在南极中山站等极端环境下，材料也能通过rGO实现高效光热转换，吸收太阳辐射能并储存于PCM基质中。在实际应用中，储存的热能可释放以维持人体温度，实现全天候(昼夜)热调节运行。

材料性能表征

rGO的质量直接影响相变复合材料的性能。表征结果显示(图2A、2B)，rGO纳米片的横向尺寸约为10微米，透射电镜显示其具有清晰边界和高透明度，表明rGO层较薄。原子力显微镜表征发现rGO纳米片厚度约为5-8纳米，对应6-10个石墨烯层。

将高质量rGO纳米片掺入PCMs后，研究人员在不同质量比下对复合材料的热导率和潜热进行了表征(图2C)。相变复合材料的热导率从0.3 W·m^-1·K^-1(rGO含量0 wt%)增加到6.7 W·m^-1·K^-1(rGO含量20 wt%)，而其潜热容量随rGO含量增加而单调递减。权衡热导率和潜热存储能力后，选择rGO含量为10 wt%的复合材料作为最优样品，其具有高导热系数(2.9 W·m^-1·K^-1)和高相变焓(184 kJ/kg)。

图2D展示了相变复合材料的照片和差示扫描量热曲线。加热过程中，材料在24.3°C开始出现吸热相变行为，持续至36.5°C，峰值转变温度为29.0°C。这一宽相变温度范围很好地符合个人热调节需求，显示出在个人热管理中的应用潜力。从物理图像看，相变复合材料呈黑色粉末状，可通过模压制成所需形状和尺寸。

材料还表现出良好的循环稳定性(图2E)，100次循环后相变焓保持在95%。与纯PCM相比，该相变复合材料属于固-固相变类型，在高于相变温度的条件下无液体泄漏，样品保持原始形状。与先前报道的固-固相变材料(SSPCM)相比，本研究开发的SSPCM具有较高的相变焓值(图2F)。

Photothermal measurements

考虑到化学合成过程中可能残留试剂，为避免材料直接接触人体皮肤，研究人员将相变复合材料封装在二氧化硅气凝胶和线性低密度聚乙烯(LLDPE)层之间。如图3A所示，这种设计既保证了太阳辐射的有效吸收，又减少了热量损失。

材料在0.25-2.5微米光谱范围内的吸收率超过90%(图3B)，显示出优异的光吸收性能。光热性能测试表明，在1 kW/m²的太阳辐射下，材料表面温度在3分钟内从室温迅速上升至68°C(图3C)，表现出快速的光热响应能力。热成像分析进一步证实了材料的光热转换效率(图3D)。

Application performance

为验证实际应用性能，研究团队首先在自然环境(杭州，2024年6月3-4日)进行了测试(图4A)。09:00至11:30期间，地面太阳辐照度从450 W/m²逐渐增加至730 W/m²，相变复合材料吸收足够太阳辐射能引发相变并完成热能储存，温度从初始环境温度(25°C)升至36°C，表明相变储热完成。随后材料被遮光盒封装，记录其放热和保温性能。从14:30开始，相变复合材料温度降至36°C并开始相变放热保温，过程持续36小时，显示出优异的放热保温能力。

针对寒冷环境下的性能评估，研究选取南极中山站2024年1月的气候数据作为参考(图4B)。该期间中山站处于极昼条件，日平均温度-1°C，07:00至16:00太阳辐射强度超过500 W/m²，表明相变复合材料具有高效的太阳能吸收和相变储热潜力。

通过定量分析，研究人员计算了寒冷环境下人员的热量补充需求(图4C)。以成年男性(身高170厘米，体重60公斤，体表面积1.65平方米)为模型，体表温度33°C，环境温度-1°C。考虑寒冷环境下人体代谢率增加约1.15倍，计算得代谢产热133W，辐射散热117W，对流散热31W，呼吸散热13.5W。计算表明，在极地寒冷环境中，个人热调节需要额外28.5W的外部热量输入。5公斤相变复合材料在吸收太阳能并完成相变储热后，可满足人员10小时的热量补充需求。

研究团队进一步模拟中山站气候环境，表征相变复合材料的太阳能吸收、相变储热和保温性能(图4D)。使用台式低温培养箱维持-1°C寒冷环境，校准的太阳模拟器产生匹配的太阳辐射强度。PCM封装在二氧化硅气凝胶层中减少热损失，一侧用透明LLDPE薄膜密封以促进太阳辐射吸收。07:00时相变复合材料开始吸收太阳辐射，温度从-1°C迅速上升，08:00达到相变温度并开始储热。12:00太阳辐射强度达到峰值800 W/m²，材料温度升至40°C完成储热。16:00后停止太阳辐射，材料开始放热，在接下来8小时内维持温度在16°C以上，证实其在极端寒冷环境下的有效个人热调节能力。

研究结论与意义

本研究成功开发的高效光热柔性固-固相变复合材料，通过POE交联网络解决泄漏问题，利用rGO增强导热性和光热转换效率，实现了导热系数(2.9 W·m^-1·K^-1)与相变焓(184 kJ/kg)的协同优化。材料在0.25-2.5微米光谱范围内吸收率超过90%，具备优异的加工成型性能和循环稳定性，在模拟南极极端环境下可维持16°C以上温度达8小时。

该研究的主要创新点在于：首次将柔性固-固相变与高效光热转换技术有机结合，解决了传统PCMs泄漏和导热性差的瓶颈问题；通过合理的材料设计，实现了个人热管理系统中太阳能吸收-热能转换-能量储存-温度调节的一体化功能；在极端环境下的实际应用验证，为可穿戴热管理服装的发展提供了可靠的技术路径。

这项工作不仅推动了相变材料在个人热管理领域的发展，也为特殊环境下的热防护装备、航空航天服、医疗保温服等应用提供了新的材料解决方案，具有重要的科学意义和实际应用价值。随着技术的进一步优化和场景化细化，这种智能热管理材料有望在医疗健康、航空航天、特种作业等多个领域实现更广泛的应用。