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廣西大學徐傳輝教授 CEJ：具有電/光熱升溫功能的柔性可穿戴相變復合材料用于個人熱管理與人體運動檢測

2024-03-19 來源：高分子科技

近年來，個人熱管理 (PTM) 技術作為一種節能、實用、便捷的溫度管理策略備受關注。其中，熱能儲存（TES）是設計 PTM 設備的關鍵。在各種TES策略中，相變材料（PCM），如烷烴、脂肪酸、聚乙二醇（PEG）和石蠟，由于其高潛熱和可逆的熱調節，已在PTM領域得到廣泛應用。在目前報道的相變材料中，PEG由于其高固液變化潛熱和環境友好性，在熱能存儲方面是極具競爭力，但在相變時容易泄漏，限制了可穿戴熱管理場景中的應用。此外，柔性傳感器在PTM領域的潛在應用也引起了廣泛關注。可穿戴電子設備可通過機械變形引起的電阻變化來捕捉運動信號，從而監測人體運動。目前，開發具有光熱和電熱功能的復合相變材料在可穿戴熱管理領域具有實際應用價值，PTM設備中實現多模式熱管理和傳感性能的功能集成仍然具有挑戰性。

近日，廣西大學徐傳輝教授課題組通過膠乳成膜和壓制工藝制備了一種具有PTM和人體監測功能的三明治結構相變復合材料（SSPCC）：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）/聚乙二醇（PEG）復合膜為中間層，水性聚氨酯（WPU）/碳納米管（CNTs）膜為頂層和底層。WPU/CNT膜作為三明治結構的上層及下層，其在填充了3 phr CNTs的條件下電導率和拉伸強度分別可以達到2.83 S/m和12.96 MPa。由于夾層結構的多重協同效應，SSPCC表現出優異的柔韌性（斷裂伸長率約為1173%）與良好的電熱/光熱性能。當PEG的質量比達到50 wt%時，柔性EVA/PEG作為內層在相變過程中具有71.45 J/g的熔融潛熱和65.79 J/g的冷凍潛熱。該相變復合材料具有良好的信息加密和運動監測能力，在可穿戴個人熱管理和醫療設備中具有很好的應用前景。

圖 1 柔性SSPCC的制備及結構

通過膠乳成膜和壓制工藝制備SSPCC（圖1）。首先通過膠乳成膜制備出WPU/CNT膜和EVA/PEG膜。將兩片干燥的WPU/CNT薄膜切割成合適的形狀。隨后，將不含CNT的膜的表面牢固地層壓到EVA/PEG膜上，在模壓后形成三明治結構。WPU/CNT膜不是均勻的膜，CNT在成膜過程中沉積在WPU網絡底部，表現出高導電性。因此，在模壓過程中選擇合適的壓力來保護CNT的導電路徑是至關重要的。此外，高溫高壓將不可避免地影響EVA/PEG中間層的可逆相變能力。選擇合適的壓力和溫度是制備SSPCC的關鍵。

圖 2 柔性SSPCC的力學性能

力學性能對于柔性復合相變材料是十分重要的（圖2）。由于碳納米管在WPU基體中的增強作用。碳納米管會限制WPU在外力作用下的變形，使薄膜強度和模量顯著提高。有趣的是，在壓制形成三明治結構之后，柔性SSPCC表現出3.05 MPa的拉伸強度和1173%的斷裂伸長率。

圖 3 柔性SSPCC的儲熱能力

儲熱能力是相變材料的一個重要性質（圖3）。相對較低的Tm便于在EP50膜中儲存熱量以用于身體熱量管理。PEG晶體的熔化意味著外部能量的輸入，而結晶將伴隨熱量的釋放。EP30和EP50的包封效率與EVA/PEG膜中PEG的含量相似。EVA/PEG膜的儲能效率也與PEG含量成正比，這意味著潛熱的釋放可以通過調節PEG的量來調節。EP50膜的XRD特征衍射峰在加熱-冷卻循環后變化很小，表明EP50在可逆相變過程中具有良好的穩定性。

圖 4 柔性SSPCC的電加熱性能

對于在電熱模式下運行的PTM器件，電-熱驅動性能至關重要（圖4）。材料表面的飽和溫度與施加電壓的平方成正比，滿足焦耳加熱定律。SSPCC具有精確的熱管理能力，可以在7~9.5伏的低電壓下作為加熱器，為人體緩沖環境溫度波動。實驗還證明了柔性SSPCC電加熱性能具有良好的穩定性，從而滿足個人對溫暖和舒適的需求。

圖 5 柔性SSPCC的光加熱性能

由于CNT的光熱效應，SSPCC可以在近紅外光下快速吸收能量。移除光源，儲存的熱量將立即釋放（圖5）。SSPCC在125 mW/cm²功率下照射200 s時表現出優異的光熱轉換效率（76.39%）和高峰值溫度（63.3°C）。該材料在關燈后表現出熱釋放，表現出80 s的熱量釋放平臺，顯示出良好儲熱性能。由于其優異的溫度調節能力，SSPCC可以緩解人們從炎熱的室外進入房間時溫差帶來的不適。當人進入室內時，由于EP50層中的相變功能，材料表面溫度不會迅速降低，向人體釋放熱量約40秒，起到緩沖溫差的作用。

圖 6 柔性SSPCC的傳感功能

由于出色的機械性能和良好的導電性，柔性SSPCC在監測人體運動方面表現出潛力（圖6）。SSPCC可作為傳感器檢測到手指關節輕微停頓的細節，以及手指快速彎曲、手腕彎曲、肘部彎曲和膝蓋彎曲等人體關節活動的信號。

該研究以“A flexible wearable phase change composite with electro-/photo-thermal heating for personal thermal management and human body motion detection”為題發表于《Chemical Engineering Journal》，通訊作者為廣西大學徐傳輝教授，第一作者為廣西大學化學化工學院2022級碩士研究生羅天文。該研究工作得到國家自然科學基金（22175044）、廣西自然科學基金（2023GXNSFDA026049）的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150443

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（責任編輯：xu）

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