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鄭大劉春太教授/馮躍戰(zhàn)副教授團(tuán)隊(duì) AFM：基于溶膠-凝膠滲透自組裝的相變層狀薄膜用于高效熱管理與光/熱驅(qū)動(dòng)

2024-04-21 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：相變層狀薄膜熱管理光熱驅(qū)動(dòng) 導(dǎo)熱性防泄漏

相變材料（PCMs）具有獨(dú)特的熱存儲(chǔ)和釋放能力、穩(wěn)定的物理/化學(xué)特性，利用其相變機(jī)制，PCMs可以高效地儲(chǔ)存熱能并根據(jù)需要釋放，在熱管理和能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。然而，導(dǎo)熱性差和易泄漏問(wèn)題等持續(xù)存在的挑戰(zhàn)嚴(yán)重阻礙了PCMs的實(shí)際應(yīng)用。雖然現(xiàn)有方法通過(guò)預(yù)構(gòu)建和引入三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決這些問(wèn)題，但仍受到不連續(xù)的制備方法、高能耗和模具尺寸的限制。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單可行的工藝來(lái)制備具有高導(dǎo)熱和防泄漏性能的PCMs。

近期，鄭州大學(xué)劉春太教授和馮躍戰(zhàn)副教授團(tuán)隊(duì)提出了一種一步溶膠-凝膠滲透自組裝策略，可規(guī)模化制備具有優(yōu)異導(dǎo)熱性和防泄漏性能的相變層狀薄膜，并深入探究了其在熱管理和光熱驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。利用芳綸納米纖維（ANF）的凝膠特性，將石墨烯納米片（GNP）引入三維ANF網(wǎng)絡(luò)，然后將聚乙二醇（PEG）分子直接滲透到ANF/GNP凝膠網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)PEG的原位填充，干燥之后得到具有層狀結(jié)構(gòu)的PEG/ANF/GNP相變薄膜。ANF/GNP獨(dú)特的封裝網(wǎng)絡(luò)阻礙了PEG的泄漏，在循環(huán)加熱和冷卻中呈現(xiàn)穩(wěn)定且可逆的相變行為。得益于GNP的高面內(nèi)導(dǎo)熱性、強(qiáng)的光吸收和光熱效應(yīng)，PEG/ANF/GNP相變層狀薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)（23.7 W/mK, 28.1 vol% GNP）和光熱轉(zhuǎn)換能力（90 °C, 200 mW/cm2）。結(jié)合高熱導(dǎo)性能、光/熱驅(qū)動(dòng)的相變行為、以及溫度依賴的剛-柔態(tài)轉(zhuǎn)變，該相變層狀薄膜在熱管理和光熱驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用前景。

圖1. （a）ANF/GNP分散液的球磨制備示意圖。ANF/GNP的（b）TEM，（c）HR-TEM，（d）AFM圖。GNP，ANF，ANF/GNP的（e）XRD圖，（f）FTIR光譜，（g）拉曼光譜，（h）UV-vis吸收光譜，（i）XPS譜圖。（j）ANF和ANF/GNP的N 1s的XPS高分辨譜圖。（k）不同GNP含量的ANF/GNP穩(wěn)態(tài)剪切粘度，插圖為ANF/GNP分散液的照片。

圖2. （a）PEG/ANF/GNP相變層狀薄膜的制備流程圖。（b）溶膠-凝膠滲透自組裝成膜的原理圖。（c）溶劑滲透后的凝膠膜和（d）大面積PEG/ANF/GNP層狀膜的照片。（e-h）PEG/ANF/GNP膜的SEM圖和C、O、N元素分布。（i）PEG/ANF/GNP膜的二維WAXD圖及其（j）對(duì)應(yīng)的一維強(qiáng)度曲線。（k）赫爾曼的取向因子。（l）PEG/ANF/GNP層狀膜的XRD曲線。

圖3. PEG/ANF/GNP膜的（a）相變行為和（b）相應(yīng)的熔融/結(jié)晶焓。（c）歸一化熔融潛熱，插圖為循環(huán)加熱/冷卻的DSC曲線。（d）500次加熱/冷卻循環(huán)PEG/ANF/GNP膜的質(zhì)量變化。（e）PEG和PEG/ANF/GNP薄膜在80 ℃下不同時(shí)間的泄漏試驗(yàn)。循環(huán)過(guò)程中（f）吸熱和（g）放熱的DSC曲線。（h）PEG/ANF/GNP薄膜加熱和冷卻過(guò)程的溫度變化曲線和（i, j）相應(yīng)的紅外熱像圖。

圖4. PEG/ANF/GNP層狀膜的導(dǎo)熱性能。（a）PEG/ANF/GNP薄膜的面內(nèi)（λ_∥）和垂直方向（λ_⊥）導(dǎo)熱系數(shù)和（b）熱增長(zhǎng)量。（c）循環(huán)加熱/冷卻過(guò)程中薄膜的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)。（d, e）從左到右依次為17.1, 24.7, 28.1, 33.5 vol% GNP含量的PEG/ANF/GNP薄膜的紅外熱像圖。（f）熱傳導(dǎo)機(jī)理圖。PEG/ANF/GNP層狀薄膜作為T(mén)IMs的（g）示意圖，（h）紅外熱像圖和（i）相應(yīng)的溫度變化曲線。

圖5. （a）模擬太陽(yáng)光輻射的PEG/ANF/GNP薄膜工作示意圖。（b）PEG/ANF/GNP膜的UV-vis吸收光譜，（c）200 mW/cm²光功率密度下的溫度-時(shí)間響應(yīng)曲線。（d）28.1 vol% PEG/ANF/GNP薄膜在不同光功率密度下的表面溫度變化和（e）相應(yīng)的紅外熱像圖。（f）飽和穩(wěn)態(tài)溫度與輻照功率密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和線性擬合曲線。（g）循環(huán)開(kāi)關(guān)和（h）功率密度為150 mW/cm²長(zhǎng)期光照時(shí)28.1 vol% PEG/ANF/GNP薄膜的表面溫度變化。（i）光照射的PEG/ANF/GNP薄膜循環(huán)彎曲的紅外熱像圖。

圖6. （a）PEG/ANF/GNP薄膜提起200 g的砝碼。（b）不同GNP含量的薄膜在25 ℃和（c）28.1 vol%薄膜在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，插圖為實(shí)際測(cè)試中的照片。（d）PEG/ANF/GNP薄膜的儲(chǔ)能模量隨溫度的變化。（e）PEG/ANF/GNP薄膜在25 ℃和80 ℃下的熱致柔性照片。（f）PEG/ANF/GNP薄膜熱致形狀記憶行為的照片。（g）PEG內(nèi)部聚合物鏈在結(jié)晶和熔融狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)演變的示意圖。基于相變薄膜的動(dòng)態(tài)夾持器：（h）工作原理圖，（i）光驅(qū)動(dòng)和（j）熱驅(qū)動(dòng)的變形行為。

該工作以題為“Scalable Sol-Gel Permeation Assembly of Phase Change Layered Film Towards Thermal Management and Light-Thermal Driving Applications”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者為鄭州大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心博士生韓高杰，通訊作者為鄭州大學(xué)馮躍戰(zhàn)副教授和劉春太教授。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401295

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（責(zé)任編輯：xu）

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