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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(diào)節(jié)功能的柔性相變復(fù)合材料

2023-01-30 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：雙殼層微膠囊相變復(fù)合材料 γ射線屏蔽潛熱存儲界面相容性

隨著核能在軍事、醫(yī)療、工業(yè)等各個領(lǐng)域的逐步應(yīng)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(yīng)用。但目前的輻射防護制品普遍存在溫度調(diào)節(jié)能力弱的缺點，無法很好滿足極端環(huán)境下的工作需求。

前期工作中，西南科技大學(xué)環(huán)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(yīng)用中，相變材料應(yīng)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(fù)合材料。Pn@PWO相變微膠囊在反復(fù)相變過程中石蠟易泄露，影響其熱能存儲性能及力學(xué)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(yīng)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(gòu)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(fù)合材料（圖1）。通過鎢酸鉛外殼和二氧化硅層的雙殼層結(jié)構(gòu)，增強了微膠囊的防漏性能及熱循環(huán)穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)的形成，改善微膠囊與聚氨酯基體的界面相容性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。WPU/Pn@PWO@SiO₂相變復(fù)合材料的拉伸強度達到10.98MPa，是WPU/Pn@PWO相變復(fù)合材料的7倍以上（圖3）。此外，相變復(fù)合材料也表現(xiàn)出超過41 J/g的潛熱容量，良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性、熱調(diào)節(jié)性能以及γ射線屏蔽性能。在105.3 keV和86.5 keV時，質(zhì)量衰減系數(shù)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(fù)合材料在具有熱調(diào)節(jié)功能的γ射線屏蔽裝置中的應(yīng)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(fā)高性能和多功能相變復(fù)合材料的應(yīng)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(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章第一作者是西南科技大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院博士研究生蔡天瑜，通訊作者為西南科技大學(xué)環(huán)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(xué)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(fù)合材料的制備示意圖

圖2. Pn@PWO@SiO₂相變微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)、熱循環(huán)穩(wěn)定性及潤濕性表征

圖3 相變復(fù)合材料的力學(xué)性能及界面增強機制

圖4 相變復(fù)合材料的熱性能參數(shù)及熱穩(wěn)定性

圖5. 相變復(fù)合材料的γ射線屏蔽性能及熱調(diào)節(jié)性能表征

近年來，楊文彬教授團隊在相變復(fù)合材料的設(shè)計與調(diào)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(shè)計與構(gòu)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(dǎo)熱相變復(fù)合材料的調(diào)控與構(gòu)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(fù)合材料的熱傳導(dǎo)機制數(shù)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(zé)任編輯：xu）

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