近年来，随着城市化进程加快和人口聚集，全球能源消耗持续攀升，建筑能耗中高达40%用于采暖、通风和空调系统，开发节能建材已成为缓解能源短缺与气候变化的关键。传统辐射冷却材料虽在白天表现出良好的降温效果，但夜间常因高红外发射率导致过度冷却，仅依靠隔热功能难以根本解决该问题。此外，现有隔热冷却材料的制备多依赖超临界干燥或冷冻干燥等复杂工艺，难以实现大规模生产，制约了其实际应用。
四川大学杨伟教授、杨洁副研究员研究团队成功开发出一种基于常温干燥技术的相变功能化隔热材料，兼具优异的潜热储存/释放能力和温度自适应调节性能。该材料通过引入相变微胶囊（PCMCs）与纤维素纳米纤丝（CNFs）构建的多孔结构，在白天通过高太阳反射率和红外发射实现降温，夜间则通过相变释放潜热减缓过冷现象。实地测试表明，该材料白天最大降温可达19°C，夜间还可升温约2.6°C，显著平抑室内温度波动，为建筑节能提供了全新解决方案。
研究团队通过冷冻诱导相分离、离子交联和溶剂交换等连续策略，成功在常压干燥过程中抑制了毛细管力导致的结构坍塌，制备出低收缩率、高孔隙率的CNF/PCMC复合材料。图1揭示了该材料全天温度自适应调控机制：传统辐射冷却材料夜间温度常低于舒适区间，而相变隔热材料通过潜热吸收与释放实现“白天冷却、夜间保温”的双重功能。其多孔结构有效阻隔热传导和对流，相变微胶囊则在温度变化时吸收或释放大量潜热，显著延缓热量传播。
图1. a) 空气、传统辐射冷却（RC）材料和理想化温度自适应热调控材料的理论昼夜温度变化趋势。 b) 相变隔热材料的热隔离机制。 c) 相变功能化隔热材料在节能建筑中实现全天温度自适应调控的示意图。
图2展示了材料的制备流程与结构特征：通过冷冻成型、乙醇溶剂交换、Ca²⁺离子交联和常压干燥，得到具有三维多孔网络的CNF基气凝胶。FT-IR光谱证实离子交联增强了凝胶网络稳定性，DSC曲线显示材料相变焓高达174.9 J/g，相变温度约在30–40°C之间，适于日常热调控。材料可成型为块状、纤维等多种形态，SEM图像显示其具有高度多孔结构和各向异性的孔道排列，PCMCs均匀嵌入孔壁或通道中，显著提升机械支撑与抗收缩性能。
图2. a) CNF气凝胶和相变隔热材料的制备流程示意图。 b) CNFs上羧基与Ca²⁺相互作用的示意图。 c) 有无Ca²⁺交联的CNF气凝胶的FT-IR光谱。 d) M10的DSC升温和冷却曲线。 e) 常压干燥前和 f) 后的M10多形状样品照片。 g) 长度为18 cm的大尺寸M10样品。 h) M10的截面SEM图像。 i) 相变隔热纤维的数码照片和 j) 截面SEM图像。
图3表明，引入PCMCs后材料收缩率从26.1%降至3.7%，密度维持在98.1 mg/cm³，孔隙率高达89.8%，可轻松支撑自身重量1220倍的负荷。经疏水改性后，水接触角接近140°，具备良好的防污和耐水性能。图4显示材料热导率在平行与垂直方向分别为69.0和44.3 mW/(m·K)，兼具低热导和高相变容量。红外热成像表明，相变吸热显著延缓热传导，在60°C热台上表现出优异隔热与红外隐身功能。
图3. a) 收缩率，b) 密度，c) 孔隙率统计图。 d) M10站立在叶片上的照片。 e) M10支撑1220倍自重的照片。 f) 应力-应变曲线和 g) 压缩模量（实线为平行方向，虚线为垂直方向）。 h) 水滴在CNF和M10表面的润湿行为。 i) 水滴在疏水M10表面滚落。 j) 疏水改性后的水接触角图像及统计结果。
图4. a) 相变焓和 b) 热导率。 c) CNF、M10和商业泡沫在50°C加热和自然冷却下的温度变化曲线。 d) 红外热图像和 e) 中心温度随时间变化（60°C热台）。 f) 相变隔热材料红外隐身机制示意图。 g) 手部覆盖CNF和M10的红外图像。 h) M10覆盖陶瓷加热板时的可见光与红外图像。
图5显示M10复合材料太阳反射率高达90.8%，大气窗口发射率为92.4%，光学性能优异。户外建筑模型实验表明，覆盖M10的房屋白天最大温降达19°C，夜间相变放热减缓冷却，温度波动远小于传统CNF气凝胶和商业泡沫。图6进一步对比显示，该材料在白天降温和夜间保温方面均优于已报道的多数隔热冷却材料，展现出全面的热调控优势。
图5. a) 太阳反射光谱，b) 加权太阳反射率，c) 选择性发射率光谱。 d) 户外实测温度曲线（成都，2025年3月25–26日）。 e) 建筑模型实验装置示意图。 f) 白天和 g) 夜间与空白模型的温差。 h) 商业泡沫、M10-C和M10的昼夜温度变化。 i) 与舒适温度（25°C）的最大温差对比。
图6. a) 白天最大温降与 b) 夜间与环境温差的最大值，与文献报道的隔热冷却材料对比。
该研究通过常压干燥技术成功制备出具有全天温度自适应调控功能的相变隔热材料，解决了高性能隔热材料难以规模化生产的难题。材料在太阳反射、红外发射、热导率和相变容量之间实现了良好平衡，为建筑节能、红外隐身等领域提供了创新解决方案。该工作为推动相变隔热材料的连续化、大规模制备奠定了坚实基础，具有重要的应用前景和推广价值。
来源：高分子科学前沿
