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廣西大學(xué)徐傳輝教授《Adv. Mater.》:受神經(jīng)元啟發(fā)的用于環(huán)境能量收集和呼吸監(jiān)測的柔性相變復(fù)合材料
2024-10-24  來源:高分子科技

  體溫調(diào)節(jié)和生理監(jiān)測對人類健康至關(guān)重要。面對氣候變化和石化資源的日益短缺,開發(fā)一個與綠色能量收集、儲存、釋放和生理監(jiān)測功能相結(jié)合的柔性可穿戴熱管理平臺是非常有意義的。相變材料(PCM)在相變過程中吸收和釋放大量潛熱,有望用于熱能儲存(TES)。值得注意的是,PCM有利于解決近年來引起廣泛關(guān)注的能源利用的間歇性問題。傳遞到PCM進(jìn)行充電的能量基本上是熱能。傳統(tǒng)的傳熱機(jī)制包括輻射、對流和傳導(dǎo)。太陽輻射能無處不在,容量巨大,易于獲取。帶有PCM的太陽能-熱能儲存(STES)系統(tǒng)可以捕獲、轉(zhuǎn)換和儲存太陽輻射能,并按需釋放儲存的能量。此外,人類日常生活中常見的熱能來源包括運(yùn)行中的機(jī)器、車輛尾氣和運(yùn)行中的電子設(shè)備。這種浪費(fèi)的熱量是可再生能源的重要來源,也可以通過熱傳導(dǎo)被PCM吸收。然而,傳統(tǒng)的固液相變材料仍然存在熱穩(wěn)定性差、易泄漏和機(jī)械性能差的問題。可穿戴熱管理平臺存在著功能單一、力學(xué)性能差等問題。另一方面,高效的能量轉(zhuǎn)換也是目前迫切需要解決的問題。因此,開發(fā)具有高能量轉(zhuǎn)換效率、多種能量收集和健康監(jiān)測功能的柔性可穿戴熱管理平臺具有重大挑戰(zhàn)。


  近日,廣西大學(xué)徐傳輝教授課題組通過自組裝策略,利用阿拉伯膠(GA)同時實(shí)現(xiàn)了相變材料聚乙二醇(PEG)的封裝和羧基化多壁碳納米管(cMWCNT)在柔性聚乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)基質(zhì)中的靶向分布。所制備的EGP60-3具有14.88 MJ-3的出色韌性值和565.67%的高斷裂伸長率。具有高熔融焓(71.11 J g-1)的柔性相變復(fù)合材料在808 nm激光照射(105 mW cm-2)下表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率(95.27%)。該成果以題為Neuron-Inspired Flexible Phase Change Materials for Ambient Energy Harvesting and Respiration Monitoring” 發(fā)表在《Advanced Materials》上, 2024級博士研究生羅天文為第一作者,徐傳輝教授為通訊作者。


1.EGPX-Y的制備


  EGPX-Y是使用物理溶液混合和超聲波法在水溶液中制備的。首先,將GA溶解在PEG水溶液中,并基于氫鍵進(jìn)行自組裝。簡而言之,GAPEG用于形成PEG@GA微球。隨后,cMWCNT通過超聲波成功分散在溶液中。與此同時, PEG@GA/cMCNT通過超聲誘導(dǎo)過程直接形成。EVA作為一種柔性聚合物骨架,有助于在乳膠成膜過程中保持微球的原始結(jié)構(gòu)。在PEG@GA/cMWCNT中,cMWCNT分散在微球的周圍,直徑約為86 nm。有趣的是, EGP60-3內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu),微球周圍富集了大量的cMWCNT。這些微球的平均直徑約為5.59 μm。在乳膠膜形成過程中,EGPX-Y表面也觀察到了隨機(jī)形成的不規(guī)則的PEG@GA/cMWCNT微球,意味著微穹頂結(jié)構(gòu)的形成。


1 EGPX-Y的制備


2.力學(xué)性能


  當(dāng)VA含量超過30 wt% 時,無規(guī)共聚物EVA具有類似橡膠的特性,為EGPX-Y復(fù)合材料提供了柔性支撐。隨著cMWCNT含量從0 wt% 增加到3.5 wt%EGPX-Y的拉伸強(qiáng)度從2.09±0.19增加到3.59±0.03 Mpa。其中,cMWCNT濃度為3 wt% 時的材料韌性最高(14.88±0.46 MJ m-3)。楊氏模量從3.82±0.47提高到6.63±0.6 MpaGA的引入不僅增強(qiáng)了cMWCNTEVA之間的界面相容性,還促進(jìn)了微球分散在EVA基質(zhì)中,從而提高了材料的機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,EGP60-3具有最佳的力學(xué)性能(應(yīng)變565.67%拉伸強(qiáng)度3.53 MPa,楊氏模量5.81 MPa,韌性14.88 MJ m-3)。


2 EGPX-Y的力學(xué)性能


3.EGPX-Y的熱穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)換能力


  當(dāng)EGPX-Y加熱至44-50 °C表現(xiàn)出相變材料的吸熱行為。在冷卻過程中,隨著溫度逐漸降低并穩(wěn)定在約33 °C,表明PEG結(jié)晶釋放了儲存的潛熱。此外,在泄漏測試中評估了加熱溫度(70-120 °C)和時間(70 °C30-60分鐘)對泄漏率的影響。EGP100-3的泄漏行為隨著加熱溫度的升高而變化,當(dāng)超過100 °C時才會劇烈變化。同樣,只有在加熱50分鐘(70 °C)時,泄漏率才會線性增加。EGP100-3表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和抗泄漏能力。


3 EGPX-Y的熱穩(wěn)定性


  通過使用808 nm激光評估EGPX-Y的光熱轉(zhuǎn)換能力。當(dāng)暴露在外界激光下時,材料表面的微穹頂結(jié)構(gòu)迅速反應(yīng)以捕獲光能。這些熱量一部分存儲在微球內(nèi)部,意味著內(nèi)部相變材料固液轉(zhuǎn)變,另一部分將通過cMWCNT的熱傳導(dǎo)傳遞到相鄰的微球。


4 EGPX-Y的光熱轉(zhuǎn)換能力


4.呼吸監(jiān)測應(yīng)用


  由EGPX-Y制備的傳感器可以準(zhǔn)確地識別人體呼吸頻率,包括正常、快速和慢速的呼吸狀態(tài)。在11% RH92% RH之間的連續(xù)濕度變化下,柔性EGPX-YΔR/R0值的變化在長達(dá)8000秒的循環(huán)后保持穩(wěn)定,證實(shí)了EGP100-3的良好濕氣響應(yīng)性和出色的可重復(fù)性。柔性EGP100-3在四種變形狀態(tài)下(扁平、扭曲、彎曲和打結(jié))能準(zhǔn)確地響應(yīng)水分的變化。長達(dá)0.6小時的監(jiān)測過程中,志愿者依次從事工作、睡眠和閱讀等活動,該復(fù)合材料可以實(shí)時、準(zhǔn)確、精確地監(jiān)測人體呼吸狀況。


5 EGPX-Y的呼吸監(jiān)測應(yīng)用


5.濕氣發(fā)電應(yīng)用


  此外,EGP100-3可以通過利用羥基和羧基來捕獲水分子,從而可被設(shè)計為濕氣發(fā)電機(jī)(MEG)。當(dāng)暴露在空氣環(huán)境中時,EGP100-3可以自發(fā)吸收水分。由于其表面上的快速水合和脫水行為,EGP100-3表現(xiàn)出超快的響應(yīng)和恢復(fù)速度,響應(yīng)時間為88.4 ms,恢復(fù)時間為265.9 ms。因此,當(dāng)人口腔呼出的水分靠近設(shè)備時,可以快速捕獲電壓信號。將該設(shè)備放置于口罩內(nèi)進(jìn)行呼吸監(jiān)測時,可以同時輸出電壓和電流信號,準(zhǔn)確地監(jiān)測不同的呼吸狀態(tài)。


6 EGPX-Y的濕氣發(fā)電應(yīng)用


  綜上所述,熱量和水分可以作為PCM中接收、存儲和傳輸?shù)?/span>信息。制備的材料本質(zhì)上表現(xiàn)出快速的熱/濕響應(yīng)能力。EGP60-3具有優(yōu)異的韌性(14.88 MJ m-3)和高斷裂伸長率(565.67%)。此外,EGP100-3808 nm激光照射(105 mW cm-2)下表現(xiàn)出令人滿意的熱管理能力(71.11 J g-1)、優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)換效率(95.27%)。由于PEGGA的協(xié)同作用增強(qiáng)了其優(yōu)異的吸濕性,EGP100-3對水分子表現(xiàn)出超靈敏的反應(yīng)性。當(dāng)應(yīng)用于人類呼吸監(jiān)測時,柔性EGP100-3具有高靈敏度、出色的穩(wěn)定性和快速的響應(yīng)/恢復(fù)時間(50.4/50.5 ms)。研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地探索了PCMMEG中的應(yīng)用,提供了一種制造柔性復(fù)合PCM的策略,該策略在開發(fā)能源轉(zhuǎn)換和健康監(jiān)測領(lǐng)域的下一代可穿戴設(shè)備方面具有巨大潛力。


  全文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202411820

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