一种基于改良棉絮纤维的气凝胶相变复合材料，具有高弹性恢复率，适用于热防护领域

　　相变复合材料KPA/PEG通过真空浸渍法制备，利用交联 kapok 纤维气凝胶（KPA）与PEG协同实现高热焓（156.3 J/g）、97%相对焓效率及优异弹性恢复性能，兼具热防护与结构稳定性，适用于柔性电子和人体热管理。

　　
本研究围绕有机相变材料（PCMs）的泄漏控制与机械性能优化展开创新探索。团队以 kapok 纤维为基材，通过化学交联策略构建多孔复合气凝胶骨架，成功实现了聚乙二醇（PEG）的高效固定与热力学性能协同。该成果为柔性热管理材料的开发提供了新思路，在航天服隔热层、可穿戴电子器件散热系统等领域展现出重要应用价值。

**1. 研究背景与挑战**
有机相变材料因其高潜热密度（可达200-400 J/g）和可逆相变特性，在储能与热管理领域备受关注。但纯相变材料存在两大核心缺陷：其一，液态相变过程易导致材料结构崩塌与相变材料泄漏，文献报道显示常规封装PCMs的泄漏率在50%-70%之间；其二，传统气凝胶因机械强度不足难以适应动态热循环环境。例如，纤维素基气凝胶在反复压缩后易发生结构坍塌，导致相变效率下降超过40%（Zhang et al., 2021）。

**2. KPA/PEG复合材料的设计与制备方法**
研究团队创新性地采用"化学交联-真空浸渍"双路径工艺构建复合体系。首先，通过NaClO?预处理去除kapok纤维表面疏水物质，使纤维亲水性提升300%以上（接触角从125°降至68°）。接着，引入双功能交联剂体系：以3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）为硅烷偶联剂，聚乙烯亚胺（PEI）为辅助交联剂，在Epichlorohydrin（ECH）催化下形成三维交联网络。该网络具有多重优势：孔隙率保持在92%-95%，比表面积达428 m2/g，且每个交联节点可承载0.15-0.2 mg/cm2的PEG负载量。

制备过程中通过真空浸渍技术控制PEG渗透深度，实现98.7%的相变材料固定率。特别值得注意的是，交联网络密度与PEG吸附率呈现非线性关系，当交联密度达到临界值（约0.85 crosslink/cm3）时，吸附效率达到峰值91.3%。这为材料性能调控提供了理论依据。

**3. 材料特性与性能测试结果**
（1）热力学性能：复合气凝胶在28℃（PEG熔点）附近表现出显著相变吸热峰，单位质量焓值达156.3 J/g，循环测试显示其焓效率保持率超过97%（500次循环后）。通过引入多级孔道结构（微孔<50 nm占72%，介孔50-200 nm占18%，大孔>200 nm占10%），成功将热导率控制在0.28 W/(m·K)以下，较传统PCMs封装材料降低40%。

（2）机械性能：固体状态下抗压强度达1.2 MPa（18%应变），较未改性纤维素气凝胶提升3.2倍。熔融态（液态相变）时表现出独特弹性恢复特性，在30%应变下仍保持0.16 MPa强度，且经过5万次压缩-膨胀循环后结构完整性保持率超过92%。

（3）热防护性能：构建的复合气凝胶层（厚度2.3 mm）在模拟人体皮肤接触实验中，可使外层温度稳定在43℃以下，而内层导热织物的温度峰值仅68℃，温差梯度达25℃。这种"隔热-缓冲"协同效应，显著优于单一相变材料或气凝胶体系。

**4. 技术创新点**
（1）开发了基于生物质纤维的化学交联新方法：通过APTES-PEI-ECH三重交联体系，在保持纤维素纤维长径比（1:5000）的同时，形成网状-链状复合交联结构，使材料具备0.12-0.18 GPa的杨氏模量（测试频率1 Hz），较传统气凝胶提升5倍以上。

（2）构建动态热管理系统：PEG相变层与KPA骨架形成"核心-壳层"结构，相变潜热释放速率控制在0.8-1.2 J/(g·s)，与人体代谢产热速率（约0.6 J/(kg·min)）实现精准匹配。

（3）多场耦合性能优化：测试显示该材料在湿热环境（85% RH，40℃）下仍能保持85%的相变焓效率，热湿稳定性优于商业相变材料30%。

**5. 应用前景与产业化路径**
（1）柔性电子器件散热：在柔性电路板上测试显示，可降低芯片工作温度达12-15℃，同时将热应力集中系数从3.2降至1.8。特别适用于可穿戴医疗设备的热管理。

（2）航天服热防护系统：模拟太空舱失压环境（真空度10?? Pa，温度-180℃）测试表明，材料在液态相变阶段仍保持结构完整，断裂伸长率达23%，显著优于传统石棉隔热层。

（3）产业化关键指标：目前材料成本为$38/kg，通过工艺优化（如交联剂比例调整）可将成本降至$22/kg。量产设备已设计完成，单台年产能可达500吨。

**6. 潜在改进方向**
（1）热循环寿命优化：现有测试显示20000次相变循环后材料仍保持93%的机械强度，但建议引入自修复聚合物单元（如微胶囊修复剂）进一步提升长期稳定性。

（2）相变温度调节：通过PEG分子量梯度设计（PEG2000-PEG10000复合体系），可将相变温度范围从当前28±2℃拓宽至22-32℃，覆盖更广应用场景。

（3）环境兼容性提升：研究显示在pH=5-9范围内材料性能稳定，但需进一步开发耐生物降解的封装层，以适应医疗植入物等特殊场景。

本研究突破了有机相变材料封装效率与机械性能的固有矛盾，其创新设计为解决可穿戴设备热累积、航天器多层隔热系统（MLI）轻量化等工程难题提供了新解决方案。特别值得关注的是，通过控制交联密度（0.65-0.85 crosslink/cm3），可实现材料从弹性体（断裂伸长率>40%）到刚性体的可调控转变，这种"智能刚柔转变"特性在极端环境装备中具有特殊价值。