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西南科大楊文彬教授團隊 ACS AMI：具有γ射線屏蔽與熱調節功能的柔性相變復合材料

2023-01-30 來源：高分子科技

隨著核能在軍事、醫療、工業等各個領域的逐步應用，人類接觸電離輻射頻率增加，為了保證工作人員的健康及核能有效利用，輻射防護材料被廣泛應用。但目前的輻射防護制品普遍存在溫度調節能力弱的缺點，無法很好滿足極端環境下的工作需求。

前期工作中，西南科技大學環境友好能源材料國家重點實驗室楊文彬教授團隊以石蠟作為相變芯材，鎢酸鉛為殼體，制備具有γ射線屏蔽功能的石蠟@鎢酸鉛（Pn@PWO）相變微膠囊（Journal of Energy Storage 2022, 50: 104245.）。實際應用中，相變材料應具有一定程度的形變能力，而微膠囊是無法直接滿足柔韌性要求的，需要將相變微膠囊填充到聚合物基體，制備柔性相變復合材料。Pn@PWO相變微膠囊在反復相變過程中石蠟易泄露，影響其熱能存儲性能及力學性能；其強疏水性，也限制了在聚乙烯醇、水性聚氨酯等水性體系的應用。

為了解決上述問題，楊文彬教授團隊通過乳液模板及界面縮聚法在Pn@PWO相變微膠囊表面構筑二氧化硅層（SiO₂），并將改性后的微膠囊填充到水性聚氨酯中，制備柔性相變復合材料（圖1）。通過鎢酸鉛外殼和二氧化硅層的雙殼層結構，增強了微膠囊的防漏性能及熱循環穩定性，同時富含極性基團的SiO₂層引入，改善微膠囊的潤濕性（圖2）。微膠囊良好的潤濕性及氫鍵網絡的形成，改善微膠囊與聚氨酯基體的界面相容性，提高復合材料的力學性能。WPU/Pn@PWO@SiO₂相變復合材料的拉伸強度達到10.98MPa，是WPU/Pn@PWO相變復合材料的7倍以上（圖3）。此外，相變復合材料也表現出超過41 J/g的潛熱容量，良好的熱循環穩定性、熱調節性能以及γ射線屏蔽性能。在105.3 keV和86.5 keV時，質量衰減系數分別為1.38 cm²/g和1.12 cm²/g（圖4、5）。這些性能將極大地促進相變復合材料在具有熱調節功能的γ射線屏蔽裝置中的應用，例如涉核工作者的防寒服、具有保溫功能的防輻射建筑板材。同時，也為開發高性能和多功能相變復合材料的應用提供了新思路。該工作以“Flexible and Mechanically Enhanced Polyurethane Composite for γ-ray Shielding and Thermal Regulation”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章第一作者是西南科技大學材料與化學學院博士研究生蔡天瑜，通訊作者為西南科技大學環境友好能源材料國家重點實驗室楊文彬教授，該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1. 雙殼層Pn@PWO@SiO₂相變微膠囊及其柔性相變復合材料的制備示意圖

圖2. Pn@PWO@SiO₂相變微膠囊的微觀結構、熱循環穩定性及潤濕性表征

圖3 相變復合材料的力學性能及界面增強機制

圖4 相變復合材料的熱性能參數及熱穩定性

圖5. 相變復合材料的γ射線屏蔽性能及熱調節性能表征

近年來，楊文彬教授團隊在相變復合材料的設計與調控研究方面，取得了一系列研究進展，主要包括相變微膠囊的設計與構筑（Applied Energy, 2017, 197: 354-363; ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 6: 5182-5191；ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7: 18854-18862；ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13: 39394-39403.），導熱相變復合材料的調控與構建（Journal of Energy Storage, 2022, 55: 105428; Polymer, 2020, 204: 122824；Solar Energy Materials and Solar Cells, 2019, 200: 109957）以及相變復合材料的熱傳導機制數值模擬（Applied Thermal Engineering, 2021, 190: 116800；Journal of Energy Storage, 2021, 44: 103431；Applied Thermal Engineering, 2020, 178: 115633；Applied Thermal Engineering, 2020, 169: 114896.）。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c18252

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（責任編輯：xu）

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