近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程加快和人口聚集，全球能源消耗持續(xù)攀升，建筑能耗中高達(dá)40%用于采暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)節(jié)能建材已成為緩解能源短缺與氣候變化的關(guān)鍵。傳統(tǒng)輻射冷卻材料雖在白天表現(xiàn)出良好的降溫效果，但夜間常因高紅外發(fā)射率導(dǎo)致過(guò)度冷卻，僅依靠隔熱功能難以根本解決該問(wèn)題。此外，現(xiàn)有隔熱冷卻材料的制備多依賴超臨界干燥或冷凍干燥等復(fù)雜工藝，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，制約了其實(shí)際應(yīng)用。

四川大學(xué)楊偉教授、楊潔副研究員研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種基于常溫干燥技術(shù)的相變功能化隔熱材料，兼具優(yōu)異的潛熱儲(chǔ)存/釋放能力和溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)性能。該材料通過(guò)引入相變微膠囊（PCMCs）與纖維素納米纖絲（CNFs）構(gòu)建的多孔結(jié)構(gòu)，在白天通過(guò)高太陽(yáng)反射率和紅外發(fā)射實(shí)現(xiàn)降溫，夜間則通過(guò)相變釋放潛熱減緩過(guò)冷現(xiàn)象。實(shí)地測(cè)試表明，該材料白天最大降溫可達(dá)19°C，夜間還可升溫約2.6°C，顯著平抑室內(nèi)溫度波動(dòng)，為建筑節(jié)能提供了全新解決方案。相關(guān)論文以“Ambient-Dried Phase-Change Functionalized Thermal Insulation Materials with Latent Heat Charging/Discharging Capacities and Superior Temperature-Adaptive Thermal Regulation Performance”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)冷凍誘導(dǎo)相分離、離子交聯(lián)和溶劑交換等連續(xù)策略，成功在常壓干燥過(guò)程中抑制了毛細(xì)管力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)坍塌，制備出低收縮率、高孔隙率的CNF/PCMC復(fù)合材料。圖1揭示了該材料全天溫度自適應(yīng)調(diào)控機(jī)制：傳統(tǒng)輻射冷卻材料夜間溫度常低于舒適區(qū)間，而相變隔熱材料通過(guò)潛熱吸收與釋放實(shí)現(xiàn)“白天冷卻、夜間保溫”的雙重功能。其多孔結(jié)構(gòu)有效阻隔熱傳導(dǎo)和對(duì)流，相變微膠囊則在溫度變化時(shí)吸收或釋放大量潛熱，顯著延緩熱量傳播。

圖1. a) 空氣、傳統(tǒng)輻射冷卻（RC）材料和理想化溫度自適應(yīng)熱調(diào)控材料的理論晝夜溫度變化趨勢(shì)。 b) 相變隔熱材料的熱隔離機(jī)制。 c) 相變功能化隔熱材料在節(jié)能建筑中實(shí)現(xiàn)全天溫度自適應(yīng)調(diào)控的示意圖。

圖2展示了材料的制備流程與結(jié)構(gòu)特征：通過(guò)冷凍成型、乙醇溶劑交換、Ca2?離子交聯(lián)和常壓干燥，得到具有三維多孔網(wǎng)絡(luò)的CNF基氣凝膠。FT-IR光譜證實(shí)離子交聯(lián)增強(qiáng)了凝膠網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，DSC曲線顯示材料相變焓高達(dá)174.9 J/g，相變溫度約在30–40°C之間，適于日常熱調(diào)控。材料可成型為塊狀、纖維等多種形態(tài)，SEM圖像顯示其具有高度多孔結(jié)構(gòu)和各向異性的孔道排列，PCMCs均勻嵌入孔壁或通道中，顯著提升機(jī)械支撐與抗收縮性能。

圖2. a) CNF氣凝膠和相變隔熱材料的制備流程示意圖。 b) CNFs上羧基與Ca2?相互作用的示意圖。 c) 有無(wú)Ca2?交聯(lián)的CNF氣凝膠的FT-IR光譜。 d) M10的DSC升溫和冷卻曲線。 e) 常壓干燥前和 f) 后的M10多形狀樣品照片。 g) 長(zhǎng)度為18 cm的大尺寸M10樣品。 h) M10的截面SEM圖像。 i) 相變隔熱纖維的數(shù)碼照片和 j) 截面SEM圖像。

圖3表明，引入PCMCs后材料收縮率從26.1%降至3.7%，密度維持在98.1 mg/cm3，孔隙率高達(dá)89.8%，可輕松支撐自身重量1220倍的負(fù)荷。經(jīng)疏水改性后，水接觸角接近140°，具備良好的防污和耐水性能。圖4顯示材料熱導(dǎo)率在平行與垂直方向分別為69.0和44.3 mW/(m·K)，兼具低熱導(dǎo)和高相變?nèi)萘?/strong>。紅外熱成像表明，相變吸熱顯著延緩熱傳導(dǎo)，在60°C熱臺(tái)上表現(xiàn)出優(yōu)異隔熱與紅外隱身功能。

圖3. a) 收縮率，b) 密度，c) 孔隙率統(tǒng)計(jì)圖。 d) M10站立在葉片上的照片。 e) M10支撐1220倍自重的照片。 f) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 g) 壓縮模量（實(shí)線為平行方向，虛線為垂直方向）。 h) 水滴在CNF和M10表面的潤(rùn)濕行為。 i) 水滴在疏水M10表面滾落。 j) 疏水改性后的水接觸角圖像及統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖4. a) 相變焓和 b) 熱導(dǎo)率。 c) CNF、M10和商業(yè)泡沫在50°C加熱和自然冷卻下的溫度變化曲線。 d) 紅外熱圖像和 e) 中心溫度隨時(shí)間變化（60°C熱臺(tái)）。 f) 相變隔熱材料紅外隱身機(jī)制示意圖。 g) 手部覆蓋CNF和M10的紅外圖像。 h) M10覆蓋陶瓷加熱板時(shí)的可見(jiàn)光與紅外圖像。

圖5顯示M10復(fù)合材料太陽(yáng)反射率高達(dá)90.8%，大氣窗口發(fā)射率為92.4%，光學(xué)性能優(yōu)異。戶外建筑模型實(shí)驗(yàn)表明，覆蓋M10的房屋白天最大溫降達(dá)19°C，夜間相變放熱減緩冷卻，溫度波動(dòng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)CNF氣凝膠和商業(yè)泡沫。圖6進(jìn)一步對(duì)比顯示，該材料在白天降溫和夜間保溫方面均優(yōu)于已報(bào)道的多數(shù)隔熱冷卻材料，展現(xiàn)出全面的熱調(diào)控優(yōu)勢(shì)。

圖5. a) 太陽(yáng)反射光譜，b) 加權(quán)太陽(yáng)反射率，c) 選擇性發(fā)射率光譜。 d) 戶外實(shí)測(cè)溫度曲線（成都，2025年3月25–26日）。 e) 建筑模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 f) 白天和 g) 夜間與空白模型的溫差。 h) 商業(yè)泡沫、M10-C和M10的晝夜溫度變化。 i) 與舒適溫度（25°C）的最大溫差對(duì)比。

圖6. a) 白天最大溫降與 b) 夜間與環(huán)境溫差的最大值，與文獻(xiàn)報(bào)道的隔熱冷卻材料對(duì)比。

該研究通過(guò)常壓干燥技術(shù)成功制備出具有全天溫度自適應(yīng)調(diào)控功能的相變隔熱材料，解決了高性能隔熱材料難以規(guī)模化生產(chǎn)的難題。材料在太陽(yáng)反射、紅外發(fā)射、熱導(dǎo)率和相變?nèi)萘恐g實(shí)現(xiàn)了良好平衡，為建筑節(jié)能、紅外隱身等領(lǐng)域提供了創(chuàng)新解決方案。該工作為推動(dòng)相變隔熱材料的連續(xù)化、大規(guī)模制備奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有重要的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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