《Surfaces and Interfaces》：An Aerogel Fiber-Based Textile for Personal Thermal Management Integrating Passive Insulation and Photothermal Phase-Change Energy Storage
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气凝胶纤维作为基材，通过CA/TPU复合纺丝及冻干工艺制备柔性纺织材料，表面涂覆聚多巴胺包覆相变微胶囊层，实现被动隔热（隔热温差3.6°C）、主动光热加热（1.25kW/m2照射下升温至83.7°C）及高效储能（48.41mJ/mg），适用于昼夜、冷热交替环境的多功能个人热管理织物。
Xinxin Wang | Feng Tang | Tianqi Dou | Shuang Chen | Kelong Ao | Fenglin Huang
江南大学纺织科学与工程学院，中国无锡市梨湖大道1800号，214122
摘要
气凝胶纤维因其出色的隔热性能，在个人热管理（PTM）纺织品中展现出巨大的应用潜力。然而，仅依靠气凝胶纤维本身的隔热能力不足以应对寒冷环境中的动态温度变化。在这项研究中，提出了一种新型策略，利用醋酸纤维素（CA）/热塑性聚氨酯（TPU）（CT）气凝胶纤维作为结构基底来制造多功能PTM织物。所得气凝胶纤维具有82%的高孔隙率和481%的断裂伸长率，表明其具有优异的机械强度，适用于柔性纺织品应用。随后，在气凝胶织物表面沉积一层多巴胺涂层的相变微胶囊（PCM-1.5），从而实现光热主动加热和相变热能储存功能。该织物保持了气凝胶基底的优异隔热性能，相对于人体可达到3.6°C的被动隔热效果。同时，CT-P1.5织物表现出卓越的光热转换能力，在1.25 kW m-2的辐照强度下，其表面温度可迅速升高至83.7°C，并具有出色的耐久性和光热循环稳定性。此外，该织物还具有48.41 mJ mg-1的高相变焓。在包括白天和夜间运行以及寒冷和常温环境在内的多种条件下，CT-P1.5织物显著提升了热储存和热量积累性能。总体而言，这项工作为下一代多功能热管理纺织品提供了一种实用且有效的设计策略。
引言
寒冷环境会显著影响人类的热舒适度，甚至可能导致健康问题甚至生命危险[1,2]。为了维持适宜的皮肤微环境，人们通常会穿着厚重的衣物或使用空调和加热器等外部加热设备[3]。然而，厚重衣物会限制身体活动自由度，而长期使用加热设备会导致大量能源消耗和温室气体排放，从而对生态环境造成持续压力[4]。因此，开发一种绿色、高效且可持续的个人微环境热调节方法对于提高人类热舒适度和减少能源依赖至关重要。
气凝胶纤维是一类新兴的高级功能性纤维材料，由于其高孔隙率、低密度和良好的可编织性，为制造轻质灵活的隔热纺织品提供了有前景的技术途径[4]。特别是基于纤维素和纤维素衍生物的气凝胶纤维，由于其丰富的原材料来源、低成本、可生物降解性和可再生性而受到广泛研究关注[[5], [6], [7]]。例如，Wang等人[6]使用细菌纤维素制备了气凝胶纤维支架，并在纤维表面沉积了硅涂层，从而获得了高压缩恢复率（90%应变下50次压缩后恢复88%）和出色的隔热性能（160°C时ΔT = 55°C）的气凝胶纤维。尽管取得了这些进展，大多数基于气凝胶纤维的纺织品的热管理功能仍然主要是被动的，依赖于静态多孔结构来抑制热传递。虽然这类结构提供了出色的热阻，但它们通常缺乏环境适应性，且其隔热性能无法对外部刺激（如温度变化或辐射强度）进行动态调节[[8], [9], [10]]。此外，纯纤维素气凝胶纤维往往机械强度低且易碎，严重限制了其在实际可穿戴应用中的加工性和耐久性。因此，开发同时具备机械强度、自适应热调节和多功能性的气凝胶纤维系统仍然是一个关键挑战。
为了解决传统隔热纺织品的有限适应性，近年来越来越多地将主动热管理策略（包括光热和电热技术）融入纺织系统[11,12]。通过将太阳能或电能转化为热能，这些方法能够在复杂环境中实现按需加热和增强热保护。例如，Li等人[1]通过结合MXene热塑性聚氨酯（TPU）基质制备了多孔辐射加热纤维，实现了高中红外反射率和强太阳吸收率，从而在人体辐射、外部电源输入和光照条件下提高温度。同样，Dong等人[13]制造了具有高电导率（1280 S m?1）和太阳吸收效率（93%）的多孔TPU/MXene纺织品，实现了被动和主动热调节的结合。然而，这类系统通常依赖外部电源来实现显著加热，限制了其在极寒环境中的便携性和安全性[14]。此外，通过光热或电热过程产生的热量往往迅速散失而无法有效储存，导致热波动，从而妨碍长期稳定的热舒适度[15,16]。与基于相变的热调节纺织品相比，后者虽然可以储存热量但通常隔热效率较低，因此仍需要开发结合高效隔热、可控热生成和热能保留的集成纺织系统。这些限制凸显了开发下一代热管理纺织品的重要性，使其超越单一功能设计，实现协同和自适应的热调节。
鉴于上述研究背景，本研究提出了一种多机制耦合的气凝胶纤维织物系统，以应对极寒环境中的个人热调节需求。具体而言，通过优化醋酸纤维素（CA）和TPU的混合比例，开发了一种复合气凝胶纤维。通过将TPU作为柔性骨架，所得纤维克服了传统纤维素气凝胶的固有脆性，实现了481%的断裂伸长率和优异的柔韧性。在此基础上，在纤维表面构建了包含多巴胺（PDA）和相变微胶囊（PCM）的功能涂层。这种分层设计旨在弥合被动隔热和主动热调节之间的差距：气凝胶核心最小化热量损失，PDA层收集太阳能，PCM作为热缓冲层储存和释放热量。通过这种协同集成，所得CT-P1.5织物不仅具备高效的被动隔热性能，还具有卓越的光热转换能力（在1.25 kW m-2光照下达到83.7°C）和48.1 mJ mg-1的高潜热储存能力，为下一代个人热管理纺织品提供了可持续且多功能的解决方案。
材料
醋酸纤维素（CA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）购自Aladdin Reagent（上海）有限公司。TPU由BASF SE（德国）提供。Tris缓冲液、盐酸多巴胺（DA）和二甲基亚砜（DMSO）由上海Titan Technology有限公司供应。相变微胶囊的转变温度为37°C，购自东莞东林硅橡胶制品有限公司，其中石蜡作为核心材料，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为
CA/TPU气凝胶纤维和织物的制备
多孔CA/TPU纤维通过湿法纺丝和冷冻干燥结合的方式制备，然后编织成织物，如图1a所示。纺丝过程涉及相分离，主要由溶剂和非溶剂之间的双向扩散控制[17]。如图1b所示，展示了纺丝溶液中溶剂与凝固浴成分之间的双向相分离示意图。
结论
总之，本研究成功开发了一种多功能柔性热管理织物，将被动隔热、主动光热加热和相变热能储存集成在单一纺织系统中，解决了传统隔热、光热和基于相变纺织品的 key 限制。通过优化CA/TPU的混合比例，有效调控了气凝胶纤维的孔径和分布，从而提高了
CRediT作者贡献声明
Xinxin Wang：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。Feng Tang：软件、方法论。Tianqi Dou：软件、数据分析。Shuang Chen：软件、研究。Kelong Ao：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、监督、项目管理。Fenglin Huang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢江苏省重点研发计划（BE2017060, BE2016707）、111项目（B17021）以及中国国家重点研发计划（2024YFB4709302）的支持。
