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12.09 mg cm⁻³超低密度、99.02%孔隙率、0.025 W m⁻¹ K⁻¹热导率、300次压缩循环后88%应力保持——天津工业大学团队通过分子结构设计与紫外诱导自由基交联策略，构建了兼具固-固相变储热、超轻高弹和优异隔热性能的聚丙烯腈基气凝胶，在热管理可穿戴领域展现出独特优势。
超轻气凝胶具有极低密度、高孔隙率和接近静态空气的热导率，在航天器热防护、极端环境防护服、建筑节能和电子器件热管理等领域具有不可替代的优势。然而，传统无机气凝胶（SiO₂、Al₂O₃）本征脆性大，易在热冲击或机械变形下开裂；碳基气凝胶（石墨烯、碳纳米管）固相热导率高，削弱了隔热性能；聚合物气凝胶虽改善了脆性和固相热传导，但其微观骨架往往不连续，循环压缩下力学性能不足。更重要的是，上述气凝胶仅提供“静态”隔热，缺乏热能量储存能力，无法应对动态温度波动。
相变材料（PCM）的引入可赋予气凝胶储热功能，但传统PCM存在形状不稳定、液体泄漏、循环耐久性差等问题。物理浸渍或吸附策略难以抑制相变过程中的泄漏，且PCM占据纳米孔隙后会增强固相热传导路径，削弱气凝胶本征的低热导率。因此，开发集超轻、隔热、稳定储热和力学鲁棒性于一体的新型气凝胶PCM仍是领域内的紧迫科学挑战。
天津工业大学韩娜教授、北京大学耿晓叶教授团队在 Advanced Functional Materials 期刊发表研究论文，报道了一种基于梳状聚丙烯腈共聚物的超弹性相变气凝胶。通过分子设计合成聚(丙烯腈-co-十六烷基丙烯酸酯-co-烯丙氧基聚乙二醇)（PAHE）三元共聚物，其中HDA提供高潜热结晶侧链，APEG赋予链段柔性。静电纺丝构建三维纳米纤维网络，紫外诱导自由基交联在PAN主链上形成共价键合的环状和梯状结构域，稳定侧链结晶、抑制相变泄漏、维持结构完整性。所得气凝胶密度低至12.09 mg cm⁻³，孔隙率99.02%，热导率0.025 W m⁻¹ K⁻¹，压缩强度提升5.6倍，300次循环后应力保持~88%，100次加热-冷却循环后潜热保持98.4%。在60°C热台上1200 s内表面温升仅2.2°C，移除后降温仅1.0°C。
📍 图1：PAN基气凝胶的制备流程与交联机制（PAHE三元共聚物合成路线、静电纺丝-均质-冷冻干燥-UV辐照制备流程、UV诱导自由基交联机制）
1. 分子结构一体化设计：PAHE三元共聚物——“刚性PAN主链+HDA结晶侧链+APEG柔性链段”——将储热、柔性和结构稳定性集成于单一分子体系。AN提供可UV交联的腈基位点；HDA引入长烷基侧链结晶（熔融焓82.6 J g⁻¹）；APEG增强组分相容性，促进侧链结晶且不发生宏观相分离。
2. UV诱导自由基交联机制：ABP光引发剂在UV下产生自由基，优先从PAN主链亚甲基/次甲基α-氢原子夺氢，生成碳中心自由基；后续反应通过三条路径构建交联网络：(i)不同PAN链上碳自由基直接重组形成-CH-CH-共价交联；(ii)相邻-C≡N基团自由基诱导环化和耦合，形成C=N键、共轭亚胺或梯状结构域（增强C=N贡献和~1580 cm⁻¹ FTIR峰）；(iii)部分自由基被O₂捕获，产生有限含氧副反应。未添加ABP或仅热处理时凝胶分数仅21.33%和10.67%，而PAHE-UV2达68.53%，证实UV+ABP的协同必要性。
3. 层级结构调控：静电纺丝（3000 rpm滚筒转速）制备取向纳米纤维膜。引入PAHE后纤维形态从不规则变均匀光滑，水接触角从65.2°（PAN）升至142.2°（PAHE-M12，超疏水），空气渗透性在7 kPa下提升62%。经均质-冷冻干燥后形成层级孔结构：表面为连续纤维互连网络，截面为垂直取向通道。ABP含量2%时交联度适中，纤维间节点有效“焊接”，形成紧凑开放结构；过高ABP（≥3%）则过度交联导致大孔和纤维团聚。
4. 力学性能大幅提升：PAHE-UV2在60%应变下压缩强度12.9 kPa，较PAHE-UV0（2.3 kPa）提升5.6倍；300次循环后仍保持11.3 kPa（88%保持率），恢复率从初始97.17%降至93.07%（300次后）。拉伸测试和180°弯曲残余变形仅3.33%。液氮浸泡30 s后纵向压缩恢复率仍达96.6%。
5. 综合热管理性能：热导率0.025 W m⁻¹ K⁻¹——低于膨胀聚苯乙烯（0.034）、玻璃纤维（0.032）、三聚氰胺泡沫（0.031）、空心玻璃微珠（0.038），与硅气凝胶毡（0.022）接近。99.02%孔隙率和12.09 mg cm⁻³密度的协同作用，分别抑制固相传导、气相传导和对流、以及辐射传热。PAHE-UV2在60°C热台上1200 s内表面仅升温至62.2°C（ΔT=2.2°C），移除后1200 s内降温至25°C（ΔT=1.0°C），证实了隔热与储热的协同作用。
PAHE三元共聚物通过乳液聚合合成（AN:HDA:APEG摩尔比调控）。¹H NMR和FTIR证实三种单体成功共聚。DSC显示熔融焓82.6 J g⁻¹，归因于侧链协同结晶。PAHE与PAN共混后电纺（PAHE含量12 wt%时形貌最均匀），XRD显示PAN（100）峰宽化并在22.5°出现肩峰（PAHE结晶部分保留）；PAHE-M12水接触角142.2°（超疏水），空气渗透性提升62%。均质后浆料静置24 h无明显沉降，冷冻干燥后气凝胶形状保持良好，直径收缩率<1.0%。
📍 图2：PAHE气凝胶的形貌与理化表征（SEM表面及截面图像、超轻气凝胶立于花瓣/花朵上、薄层气凝胶180°弯曲/720°扭转照片、2D-IR相关光谱、XPS全谱及C1s/N1s/O1s高分辨谱）
EPR证实UV辐照后产生自由基（未辐照样品无明显信号，热单独处理信号极弱）。FTIR显示~1580 cm⁻¹峰增强（C=N/C=C），2D-IR分析表明C=O分解先于C-O-C形成，而C=N和C=C几乎同时生成。XPS显示PAHE-UV2的C/N/O含量显著变化：C1s中C=C峰移至284.18 eV并增强，新增285.67 eV（C=N/C-N）；N1s中C≡N峰（398.98 eV）减弱位移至398.38 eV，新增398.78 eV（C=N）；O1s中C=O峰从532.08 eV降至531.23 eV且减弱，C-O-C峰从533.18 eV移至532.10 eV且增强。PAHE-UV2凝胶分数68.53%，而PAHE-UV0（无ABP）仅21.33%，PAHE-HT（仅热处理）仅10.67%。
📍 图3：PAHE气凝胶的热行为、环化与相变性能（不同ABP含量下TGA曲线、UV-Vis吸收光谱、DSC环化曲线、100次熔融-结晶循环、循环前后相变焓/温度对比、PAHE-UV2与石蜡在80°C加热900秒的泄漏对比照片）
压缩应力-应变曲线：PAHE-UV0在60%应变下强度~2.3 kPa；PAHE-UV2达12.9 kPa（5.6倍提升）；更高ABP时强度下降（过度交联致大孔和团聚）。300次循环后PAHE-UV2强度保持11.3 kPa（88%），恢复率93.07%。180°弯曲后残余变形仅3.33%。液氮浸泡30 s后压缩恢复率96.6%。DMA分析显示UV处理后储能模量提高，高温tanδ峰抑制/宽化（链运动受限）。变形机制：UV诱导共价节点增强连续纤维骨架的载荷通路，减少局部应力集中，变形模式从不可逆的纤维间滑移/局部塌陷转变为可逆的纤维弯曲/屈曲。
📍 图4：PAHE气凝胶的力学性能与弹性恢复能力（不同ABP含量下60%应变压缩应力-应变曲线、300次循环加载-卸载曲线、与文献报道气凝胶的循环压缩性能对比、不同压缩模式/液氮浸泡后的弹性恢复照片、纵向/横向载荷下应力分布示意图）
PAHE-UV2密度仅12.09 mg cm⁻³，孔隙率99.02%，热导率0.025 W m⁻¹ K⁻¹。PAHE-UV0（未UV交联）密度39.6 mg cm⁻³、孔隙率96.6%、热导率0.041 W m⁻¹ K⁻¹，UV交联促进了致密网络的疏松化。热导率随孔隙率增大而降低，随密度增大而升高，符合结构-热传输行为相关性。PAHE-UV2的加热-冷却曲线：加热时平衡温度低于对照样，冷却时维持温度能力更优（相变储热缓冲作用）。
📍 图5：不同ABP含量下PAHE气凝胶的密度、孔隙率、热导率、与文献气凝胶的孔隙率-热导率对比、加热/冷却曲线、60°C热台加热及移除后的温升/降温曲线
棉布在热源下表面温升高且波动大，PAHE-UV2表面升温平缓且峰值低；移至冰上时降温慢（储热释放）。热台上表面升温仅2.2°C（1200 s），移除后降温仅1.0°C（1200 s）。红外热像图直观显示：PAHE-UV2覆盖的手臂在热源下温度明显低于裸露皮肤，在冰上温度明显高于裸露皮肤（双向热管理）。洗涤20次后密度、孔隙率、热导率几乎不变，压缩强度从12.9 kPa降至9.3 kPa（仍为PAHE-UV0的~4倍），相变焓保持38.96 J g⁻¹（初始95.8%），证实了UV交联网络在洗涤扰动下的机械鲁棒性。
📍 图6：薄层PAHE-UV2气凝胶与棉布的热管理性能对比（热/冷环境下手臂示意图、加热/冷却曲线、60°C热台测试装置及加热/冷却曲线、红外热像图、双模式可穿戴热调节功能示意图）
本研究通过“刚-柔”梳状共聚物分子设计、静电纺丝层级结构构筑和UV诱导自由基交联网络锁定的多级协同策略，成功制备了超弹性聚丙烯腈基相变气凝胶。PAHE-UV2实现了12.09 mg cm⁻³超低密度、99.02%孔隙率和0.025 W m⁻¹ K⁻¹低热导率，同时压缩强度较未交联样品提升5.6倍，300次循环后应力保持88%，100次热循环后潜热保持98.4%。实际热管理测试显示，气凝胶在60°C热台上1200 s表面温升仅2.2°C，移除后1200 s降温仅1.0°C，并实现了高温隔热和低温保温的双向调控。
研究意义：该工作为多功能PAN基气凝胶的制备提供了新的设计范式——将分子结构的官能化设计与紫外诱导网络锁定相结合，在单一轻质平台中实现隔热、储热、弹性恢复和循环稳定性的协同集成，在先进建筑隔热、可穿戴热调节和节能系统领域具有广阔应用前景。
Changhui Ma, Qiankun Sha, Xiangyuan Yan, Guangpeng Luo, Chang Ma, Wei Li, Xingxiang Zhang, Xiaoye Geng, Na Han. Superelastic Polyacrylonitrile Aerogels via Ultraviolet-Induced Radical Crosslinking Toward Ultralight and Thermally Insulating Wearables. Advanced Functional Materials, 2026.
DOI：10.1002/adfm.2026075458
气凝胶企业产业链从成胶，封装，到电池包、储能、轨道交通、建筑、管道等下游应用，从材料的前驱体到各种纤维如陶瓷纤维，玻璃纤维，泡棉等，以及封装材料如PET、PI膜，热熔胶、硅胶框等，同时也包括在生产过程中的设备，如超临界设备，热压机，模切设备。
