基于同轴湿法纺丝的纤维素/聚氨酯固-固相变纤维的层次多孔结构设计及其热管理性能增强研究

为解决极端气候下热管理材料泄漏风险高、热响应速度慢等问题，研究人员通过同轴湿法纺丝技术开发了一种具有薄密鞘层/厚大多孔核层结构的固-固相变纤维（SSPCF）。该研究以纤维素为鞘层、聚氨酯基六亚甲基二异氰酸酯（PUH）为核层相变材料，通过非溶剂诱导相分离（NIPS）形成独特多孔结构，实现了105.26 J/g的高相变焓、10.38 MPa的机械强度及300秒的热响应延迟，为高温防护与可控热释放功能纤维开发提供新思路。

　　

随着全球气候变化加剧，极端高温事件频发，传统固-液相变材料（SLPCMs）因泄漏风险、循环稳定性差等问题严重制约其在热管理领域的应用。固-固相变材料（SSPCMs）虽能避免泄漏，但其热传导效率与结构设计仍面临挑战。针对这一难题，陕西科技大学（Shaanxi University of Science and Technology）生物资源化学与材料工程学院的Kang Yang团队在《Journal of Bioresources and Bioproducts》发表研究，通过创新性同轴湿法纺丝技术构建了具有层次多孔结构的纤维素/聚氨酯基固-固相变纤维（SSPCF），为智能温控纺织品开发提供了突破性解决方案。

研究采用核-鞘层协同设计策略，以聚乙二醇6000（PEG6000）与六亚甲基二异氰酸酯（HMDI）聚合形成的聚氨酯（PUH）为核层相变材料，DMAc/LiCl溶解的纤维素为鞘层前驱体，通过非溶剂诱导相分离（NIPS）实现纤维成型。关键技术包括：1）PUH的异氰酸酯改性合成；2）同轴湿法纺丝工艺优化；3）多孔结构表征与热力学性能测试；4）织物级热管理性能评估。

研究结果揭示：

1. 多孔核层结构构建机制：SEM显示SSPCF核层形成46.92%孔隙率的海绵状结构，鞘层厚度仅30.8 μm。NIPS过程中DMF与水的双扩散作用导致PUH分子链与纤维素形成互穿网络，干燥后形成固-气界面（图3）。

2. 相变材料性能调控：当HMDI与PEG6000摩尔比为1.5:1时，PUH1.5展现最佳平衡性——相变焓达126 J/g且100°C无泄漏（图2g），其结晶温度较PEG6000提升5.3°C。

3. 纤维力学与热学特性：SSPCF拉伸强度达10.38 MPa，热导率仅0.115 W/(m·K)。DSC测试显示其熔融焓（105.26 J/g）保留率50次循环后仍超90%（图4i）。

4. 织物级热管理验证：与商业PET纤维相比，SSPCF织物热响应时间延长755秒，高温保护实验显示39.7°C的温差缓冲能力（图5g）。

该研究首次通过湿法纺丝一体化成型技术实现SSPCF核-鞘层多孔结构的精准调控，其创新性体现在：1）PUH核层既保留PEG的结晶特性又通过化学交联杜绝泄漏；2）多孔结构通过增加热传导路径曲折度（λ_cond）实现热响应延迟；3）纤维素鞘层取向结晶（结晶度65.14%）赋予纤维优异机械性能。相比现有聚氨酯/MXene相变纤维（PMPCF）或气凝胶纤维（PAPCF），SSPCF在焓值-强度-循环稳定性三角关系中取得突破，为开发兼具被动温控与主动防护功能的智能纺织品奠定基础。未来研究可进一步探索孔隙率梯度分布对热流定向调控的影响，推动其在可穿戴设备中的实际应用。