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北化汪曉東教授團隊 Small：MXene薄膜與可回收聚乙二醇–磷腈共聚物整合多用途固–固相變材料的設(shè)計與構(gòu)建

2024-10-24 來源：高分子科技

相變材料（PCM）因其可逆相變以儲存和釋放大量熱能的能力，在熱能儲存和管理方面展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)的固–液相變材料在熔融狀態(tài)下存在流動性和泄漏問題，限制了其在先進功能器件及領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)防泄露的固–固相變材料成為解決上述問題的關(guān)鍵手段。

圖1 多用途可回收固–固PCM的形成機理、結(jié)構(gòu)特征和性能特征

近期，北京化工大學(xué)汪曉東教授團隊開發(fā)了一種具有雙層結(jié)構(gòu)的新型多功能固–固相變復(fù)合材料（圖1），該復(fù)合材料基于Zn²⁺交聯(lián)的聚乙二醇-聚磷腈固–固相變材料作為下層、MXene薄膜作為上層的雙層結(jié)構(gòu)。首先采用聚乙二醇單甲醚作為相變組分和聚磷腈作為聚合物網(wǎng)絡(luò)骨架進行縮聚制成共價鍵連接共聚物（PCEPN），然后用Zn²⁺對其交聯(lián)形成可固–固相變的PCEPN-Zn，并作為復(fù)合材料的相變功能層。PCEPN-Zn的交聯(lián)結(jié)構(gòu)是通過PCEPN上的羧基與Zn²⁺之間的金屬配體配位形成的，這使得在加熱過程中PCEPN-Zn中的動態(tài)鍵能夠同時斷裂和重組。這種特征結(jié)構(gòu)可以在經(jīng)過多次熱壓處理后保持PCEPN-Zn的原始化學(xué)、熱和機械性能。開發(fā)的PCEPN-Zn不僅具有高潛熱容量、優(yōu)異的形狀穩(wěn)定性、良好的熱穩(wěn)定性和高熱可靠性，而且具有優(yōu)異的自愈能力、良好的可回收性和高粘附性。該雙層結(jié)構(gòu)的固–固相變復(fù)合材料可以任意塑性（圖2a）并粘附在各種物體的表面，如玻璃、塑料、橡膠、陶瓷、木材和鐵（圖2b），適用于各種應(yīng)用場景。本研究所設(shè)計構(gòu)建的雙層多功能PCEPN-Zn/MXene薄膜固–固相變復(fù)合材料可以通過簡單的粘合輕松組裝。另一方面，MXene薄膜具有低發(fā)射率、良好的光吸收率和優(yōu)異的阻燃性等特點。通過結(jié)合PCEPN-Zn和MXene薄膜的優(yōu)異功能，所獲得的雙層多功能固–固相變復(fù)合材料在計算機CPU和鋰離子電池的熱管理（圖2c）、高溫物體的熱紅外隱身和臨床熱療等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。本研究為用于熱能儲存和熱管理應(yīng)用的下一代可持續(xù)多功能材料的研發(fā)提供了新的設(shè)計思路。

圖2 相變材料可變形性、易粘附性及電池?zé)峁芾硇阅?/span>

該工作以“Integrating MXene Film with Recyclable Polyethylene Glycol-co-Polyphosphazene Copolymer as Solid-Solid Phase Change Material for Versatile Applications”為題發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Small》上。北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生王永康、林呼斯圖和黃梅杰為論文的共同第一作者，汪曉東教授、吳戰(zhàn)鵬教授和劉歡副教授為本論文的共同通訊作者，北京化工大學(xué)為唯一完成單位。該研究得到了北京市自然科學(xué)基金和北京化工大學(xué)有機無機國家重點實驗室開放基金聯(lián)合支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202407626

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