《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Advanced wet-spun phase change fibers for smart thermal management: Material innovations, structural optimization, and multi-scenario applications
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相变纤维通过湿纺技术实现PCM分子级封装与结构调控，突破传统工艺的泄漏、脆化及低负载率缺陷，在个人热管理、电子防护、健康监测等领域展现多功能集成潜力，未来需聚焦材料性能提升、结构精准设计及规模化制造。
康洋|晁端|刘晓双|田朝朝|邢立岩|狄熙熙|熊传音|倪永浩
陕西科技大学生物资源化学与材料工程学院，中国西安，710021
摘要
推进热管理技术对于实现全球碳中和至关重要。相变材料（PCMs）由于其高潜热容量，在高效热能存储方面具有巨大潜力，但它们对聚合物封装的依赖阻碍了与柔性系统的无缝集成。相变纤维（PCFs）通过湿法纺丝将PCMs融入纤维基质中，为柔性热管理提供了一种可行的策略。本综述系统总结了湿法纺丝PCFs的最新进展，包括材料创新、工艺工程以及在热管理领域的前沿应用。首先，本文详细探讨了从固液相变材料（SLPCMs）的封装到固固相变材料（SSPCMs）的合成等材料层面的策略，以解决PCMs泄漏和热不稳定性的问题。接着，进一步评估了单轴/同轴湿法纺丝技术在控制纤维形成机制、结构创新和性能调节中的关键作用。湿法纺丝在实现取向控制、卓越的可扩展性和多功能耦合方面的独特优势是本文的重点。此外，还讨论了PCFs在光/电热能量转换、个人热管理、电子设备热保护、可穿戴健康监测和红外隐身等领域的应用。最后，本文概述了未来的研究方向，至少涵盖五个方面：1）提升PCM的固有性能；2）实现高效的多功能集成；3）精确设计纤维结构；4）提高环境可持续性；5）扩大制造工艺规模。这些见解有望为加速下一代高性能PCFs的发展提供根本性指导和技术支持。
引言
在全球致力于实现碳中和和可持续发展的背景下，推进热管理技术已成为一项重要的科学和工业任务。高效收集、存储和利用热能对于减少能源浪费和缓解气候变化至关重要[1]。在各种解决方案中，相变材料（PCMs）因其在特定温度范围内通过可逆相变调节热能的独特能力而受到广泛关注[[2], [3], [4]]。通过在相变过程中储存和释放大量潜热，PCMs为解决热管理中的未满足需求提供了创新途径[[5], [6], [7]]。它们在综合能源系统[8,9]、电子设备保护[10,11]、智能调温纺织品[12,13]和建筑节能[14,15]等众多领域展现出显著的应用价值。
尽管基于PCMs的技术具有潜力，但将其优势转化为灵活、可扩展和耐用的应用仍是一个关键挑战。这一挑战推动了人们对相变纤维（PCFs）的兴趣，这些功能性纤维将PCMs的热性能与类似纺织品的加工性能相结合[16]。PCFs结合了PCMs的热存储/调节能力与纤维的柔韧性，使其适用于从个性化热舒适到下一代智能纺织品等多种应用[17,18]。迄今为止，PCFs的主要制备方法包括多孔纤维浸渍[19,20]、织物表面涂层[21,22]和纺丝[23,24]。其中，纺丝技术，尤其是湿法纺丝，已被验证为生产高性能PCFs的最有效方法[25]。
传统的纤维浸渍和织物涂层方法虽然简单，但通常存在固有局限性，如PCM负载量低（通常<20 wt%）、封装稳定性不足（循环过程中PCM不可逆泄漏）以及机械耐久性差（涂层后纤维易碎）[26]。这些缺点严重限制了它们在需要长期可靠性的高性能应用中的使用。相比之下，纺丝技术，特别是湿法纺丝，通过实现PCMs在聚合物基质中的分子级分散，有效解决了这些问题。具体而言，PCMs和聚合物基质在溶液中表现出优异的相容性，允许分子级分散并有效防止PCM泄漏[27,28]。此外，湿法纺丝具有高度的灵活性，几乎可以适用于所有类型的PCMs和聚合物基质，从而满足不同应用的需求[29]。因此，最近的研究工作集中在利用湿法纺丝来设计结构复杂和多功能的PCFs。湿法纺丝技术在相变纤维制造方面展现出巨大潜力，这一点从关键词共现网络的研究活动和图1a和b所示的出版趋势增加中可以看出。同时，通过持续工艺改进，相变纤维的关键性能参数也得到了显著提升：相变焓从最初的80–130 J/g提高到了100–180 J/g；循环稳定性从早期固液类型的20次循环提高到了SSPCMs的超过1000次循环；机械性能从2–12 MPa提高到了100 MPa。然而，由于SSPCMs的固有特性限制，它们的焓和机械性能正接近其实际理论极限。因此，开发新一代相变材料对于满足日益增长的应用需求至关重要（见图2）。
湿法纺丝在可扩展性和结构控制方面具有独特优势。与静电纺丝（通常产生机械强度有限的非织造垫材，不适合直接编织[[30], [31], [32]]）或熔融纺丝（在加工过程中使PCMs承受极端热应力[[33,34]]不同，湿法纺丝能够连续生产千米长的、机械性能优异的单丝或多丝[35]。这一独特能力有效地弥合了先进材料制造与传统纺织制造之间的差距，为可扩展、实用的热管理解决方案奠定了基础。除了可扩展性之外，精确调节纺丝参数（如挤出速率、凝固浴温度）还可以实现对纤维直径、孔隙率和相变焓的方向控制[36,37]。此外，集成光热/电热填料使湿法纺丝PCFs具有智能响应特性，为高性能热管理提供了多功能平台[28,38]。目前，湿法纺丝PCFs在智能调温纺织品[39]、电子设备热保护[37]、可穿戴健康监测[40,41]和红外隐身[42]等众多领域展现了良好的应用潜力。图3进一步展示了湿法纺丝在PCFs的结构和功能设计中的多功能平台作用。
来自湿法纺丝技术的PCFs在可扩展生产、结构工程和多功能应用方面展现了无与伦比的优势，但目前尚缺乏系统评估该领域进展并规划未来创新方向的综合性综述。本文旨在超越单纯的文献汇总，深入阐明湿法纺丝在实现PCFs精确结构设计和多功能集成方面的核心价值。首先，我们研究了固液（SL）和固固（SS）PCMs的相变机制和封装策略，为PCFs的性能提升奠定了材料层面的基础。接着，我们阐明了单轴/同轴湿法纺丝过程的形成机制，强调了协同参数控制如何实现定制的纤维形态、取向和热绝缘。本节将工艺变量与实际的结构结果联系起来，这是以往综述中常被忽视的关键环节。随后，我们探讨了光热/电热添加剂与PCMs能量存储行为之间的协同作用，评估了它们在个人热管理、电子设备保护、可穿戴健康监测和红外隐身等前沿应用中的有效性。在这里，我们不仅列举了“智能”功能，还解释了添加剂-PCM相互作用如何转化为响应迅速、高效的热调节，这是合理材料设计的关键步骤。至关重要的是，本文不仅总结了当前的进展，还指出了未来工作的五个关键研究方向：1）提升PCM的固有性能；2）实现真正的多功能协同效应而不仅仅是组合单一功能；3）为特定应用定制纤维结构；4）提高PCF生产的可持续性；5）推进跨领域应用（如航空航天热管理、农业温室调节）。这些见解有望为开发下一代高性能PCFs提供根本性的技术指导，促进其从实验室规模创新向实际大规模热管理解决方案的转变。
SLPCMs/SSPCMs的相变机制和分类
SLPCMs和SSPCMs在热存储机制上存在关键差异。SLPCMs在加热至熔点（Tm）以上时吸收热量，逐渐转变为完全熔融状态的同时储存潜热。当冷却至结晶温度（Tc）以下时，它们固化并释放这些潜热（图4a）[43,44]。相比之下，SSPCMs在同一温度范围内仅经历内部分子链在结晶态和非晶态之间的转变
湿法纺丝PCFs的形成机制、取向控制和结构设计
除了在材料层面封装PCMs之外，将其有效整合到宏观的功能性形式中对于实际应用至关重要。柔性可穿戴电子产品的快速发展对动态热管理解决方案提出了迫切需求。将PCMs封装在柔性纤维基质中的PCFs成为一个理想的平台，结合了高能量密度和优异的耐久性[101]。湿法纺丝是一种基本的纤维制造技术
功能性添加剂赋予PCFs能量转换机制
PCFs的主要功能是通过储存和释放潜热来调节温度。要从被动热存储发展到智能、主动的热管理，需要集成能够将外部能量（如光、电）转化为热能的功能性添加剂。同轴湿法纺丝由于其独特的核壳结构，成为这种集成的首选技术。这种几何结构允许精确定位添加剂
个人热管理（PTM）
保持人体热舒适度需要能够动态适应环境变化的服装。传统的纺织品依赖被动隔热，难以有效应对显著的温度波动[142]。PCFs通过将PCMs融入织物中，实现了对皮肤微环境的主动、按需调节，从而在这一领域得到了广泛应用
总结与展望
相变纤维（PCFs）代表了一代先进的新型热管理材料，其特点是具有固有的灵活性、多功能集成能力和结构可调的多孔结构。通过选择性PCM封装和先进湿法纺丝技术的协同结合，在阐明形成机制、调节性能以及解决PCM泄漏等长期问题方面取得了显著进展
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号22178206）和生物基纤维材料国家重点实验室（编号SKLBFM202519）提供的财政支持。
