中国科学院苏州纳米所王锦研究员团队：具有相变储能功能的环糊精超分子气凝胶纤维制备与热管理应用
引文格式
孙欢,余财霞,郝莹,等. 具有相变储能功能的环糊精超分子气凝胶纤维制备与热管理应用[J]. 纺织工程学报, 2026, 4 (1): 63-72.
SUN Huan, YU Caixia, HAO Ying, et al. Fabrication and thermal management application of cyclodextrin-based supramolecular aerogel fibers with intrinsic phase change energy- storage ability[J]. Journal of Advanced Textile Engineering, 2026, 4 (1): 63-72.
研究背景
在全球“双碳”战略与节能减排需求的推动下，传统依赖建筑整体调温的模式面临能耗高、效率低等问题，因此“个人热管理（Personal Thermal Management, PTM）”逐渐成为研究热点。该策略通过调控人体微环境温度，实现更高效的能源利用。当前，气凝胶材料因其超低密度、超低热导率和高孔隙率，被认为是实现高效热管理的理想材料。
然而，现有气凝胶多以块体或颗粒形式存在，难以加工成柔性纤维结构，严重限制其在可穿戴领域的应用。同时，传统保温材料仅具备单一隔热功能，无法适应人体在动态环境下的复杂热需求。
鉴于此，中国科学院苏州纳米所王锦研究员团队在《纺织工程学报》发表了题为“具有相变储能功能的环糊精超分子气凝胶纤维制备与热管理应用”的论文，提出了一种基于α-CD/PEG主客体作用的可注射超分子水凝胶策略，成功制备出具有本征相变储能能力的气凝胶纤维，实现了隔热与动态热调控的协同功能。
文章亮点
本研究提出了一种基于超分子主客体作用的气凝胶纤维构筑新策略，通过将α-环糊精与聚乙二醇的动态包合作用引入水凝胶体系，实现了从可注射前驱体到多孔气凝胶纤维的直接转化，在工艺路径上突破了传统溶胶-凝胶纤维制备对复杂条件的依赖。
所构建的气凝胶纤维在保持超低密度与高孔隙率结构优势的同时，引入PEG结晶相变单元，赋予材料本征的热能储存与释放能力，实现了由“单一隔热”向“隔热—储能协同调控”的功能跃迁，显著提升了材料在动态热环境中的适应能力。
进一步地，该体系通过主客体包合网络、限域相变行为与多孔结构之间的协同耦合，在分子尺度、结构尺度与宏观尺度上实现性能统一，为多功能气凝胶纤维的设计提供了新的机制范式。此外，材料良好的可注射性与剪切响应特性使其具备拓展为3D打印墨水或复杂结构构筑材料的潜力，为气凝胶材料在智能制造与柔性器件中的应用提供了新的技术路径。
文章介绍
针对气凝胶难以纤维化加工以及传统隔热材料缺乏动态热调控能力的技术瓶颈，该研究设计并开发了一种基于α-环糊精（α-CD）与聚乙二醇（PEG）主客体作用的可注射超分子水凝胶体系，并进一步通过溶剂置换与冷冻干燥策略，成功制备出具有本征相变储能能力的气凝胶纤维（CPSAF）。该材料实现了从分子组装到宏观纤维结构的跨尺度构筑，在兼具超低密度和高孔隙率的同时，引入了可逆相变储能功能，突破了传统气凝胶仅具备静态隔热性能的局限，实现了隔热与动态热调控的协同性能提升。
图 1 CPSAF 合成示意图
研究结果表明，所得气凝胶纤维呈现出连续且均匀的三维多孔网络结构，孔道高度连通且孔壁薄而稳定，有效避免了干燥过程中结构塌陷；结构表征结果显示，α-CD与PEG之间形成了稳定的主客体包合结构，同时PEG链段在网络中保留一定结晶区域，为相变储能提供了结构基础；热性能测试进一步表明，该材料在约60 ℃附近表现出明显的熔融吸热行为，潜热达到57.09 J/g，并在冷却过程中表现出可逆的结晶放热特征，体现出良好的热循环稳定性。此外，红外热成像测试结果显示，在持续加热条件下，该纤维表面温度始终显著低于热源平台，表现出优异的隔热性能和持续热调控能力。
机制研究表明，该材料的优异性能源于主客体包合网络、限域相变行为与多孔结构之间的协同作用：α-CD通过多点包结作用构建稳定的超分子交联网络，PEG链段在其中形成受限结晶区域并承担相变储能功能，而冷冻干燥形成的多孔结构则有效抑制热传导并为相变过程提供空间支撑。XRD与FTIR结果证实了包合结构的形成，DSC曲线揭示了其稳定的相变行为，SEM与BET分析则进一步验证了其多孔结构特征。
在此基础上，研究团队进一步构建了基于该气凝胶纤维的热管理测试体系，通过红外热像实时监测材料在高温环境下的温度响应行为，结果表明该材料在无外部能量输入条件下即可实现显著的温度缓冲与隔热效果。应用验证显示，该气凝胶纤维在模拟人体热管理场景中能够有效降低热传递速率并调节温度波动，证明其在可穿戴热管理、智能纺织及柔性热调控系统中的应用潜力。该研究提出的超分子气凝胶纤维体系为实现轻量化、多功能一体化热管理材料提供了一种新的设计思路和技术路径。
图 2 CPSAF 的实物图及微观形貌图 (a) CPSAF 的卷曲实物图; (b) CPSAF 的打结实物图; (c₁) CPSAF-0.14 的 SEM 图; (c₂) CP-SAF-0.14 的微观形貌放大图; (d₁) CPSAF-0.20 的 SEM 图; (d₂) CPSAF-0.20 的微观形貌放大图; (e₁) CPSAF 的 SEM 图; (e₂) CPSAF的碳元素分布图;(e₃) CPSAF 的氧元素分布图
结论展望
本研究提出了一种基于α-CD/PEG主客体作用构建可注射超分子水凝胶，并进一步转化为相变储能气凝胶纤维的创新策略，在材料设计与加工路径上均实现了重要突破。该方法避免了传统溶胶-凝胶体系对复杂条件的依赖，通过温和水相体系实现了纤维化制备，并成功将隔热结构与相变功能集成于同一材料体系中，实现了“结构—功能一体化”的设计理念。所得气凝胶纤维不仅具备超低密度与多孔结构带来的优异隔热性能，还通过PEG的可逆相变行为实现了动态热调控能力，体现出良好的综合性能。
进一步来看，纤维形态的引入使材料能够与织物结构天然兼容，可通过纺织、编织或复合方式集成到柔性基底中，为智能纺织提供新的功能单元。同时，其可注射与可挤出特性也使其具备作为功能墨水应用于3D打印与结构制造的潜力，可实现复杂结构的按需构建。在柔性电子领域，该材料可作为热管理层应用于可穿戴传感器、电池系统或微型器件中，有效缓解局部热积累问题，提高器件稳定性与使用寿命。
此外，该体系还具备与其他功能材料进一步复合的潜力，例如与导电填料结合实现热-电协同调控，或与红外调控材料耦合实现辐射与相变的多模态热管理，从而拓展其在智能材料与能源系统中的应用边界。
研究团队
王锦，研究员，博士生导师，中国科学院特聘研究员骨干，信支GF规划专家组专家。2014年从日本回国加入中国科学院苏州纳米所，历任副研究员、项目研究员、研究员，入选江苏省杰青，江苏省“333”高层次人才，江苏省“科技副总”，江苏省侨联侨界专家委员会特聘专家、苏州纳米所优青A类等。获中国科学技术大学科教融合优秀导师奖、苏州市自然科学优秀学术论文奖、中国科协优秀科普奖等。目前为苏州市金阊教育集团“科学副校长”、中国复合材料学会纳米复合材料分会委员、中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会理事、中国科普作家协会科学教育专委会学术委员、中国化学会高级会员、《复合材料学报》青年编委等。主要从事气凝胶、水凝胶及其极端环境热管理与应用基础研究，迄今在Adv Mater, Mater Sci Eng R, Prog Polym Sci, Matter, Device, ACS Nano, Adv Funct Mater等期刊上发表论文百余篇，引用3500余次，H-因子32，授权发明专利34项，技术转让9项，出版专著2本，部分研究成果已在西部和北部等极端环境下获得应用。作为负责人主持国家自然科学基金（4项）、某国家部委创新项目、中国科学院重点部署、江苏省杰青、苏州市基础试点和揭榜挂帅项目等20余项。
