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鄭大劉春太教授/馮躍戰副教授團隊 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/熱驅動

2024-04-21 來源：高分子科技

相變材料（PCMs）具有獨特的熱存儲和釋放能力、穩定的物理/化學特性，利用其相變機制，PCMs可以高效地儲存熱能并根據需要釋放，在熱管理和能量轉換等領域呈現出廣闊的應用潛力。然而，導熱性差和易泄漏問題等持續存在的挑戰嚴重阻礙了PCMs的實際應用。雖然現有方法通過預構建和引入三維導熱網絡來解決這些問題，但仍受到不連續的制備方法、高能耗和模具尺寸的限制。因此，迫切需要開發一種簡單可行的工藝來制備具有高導熱和防泄漏性能的PCMs。

近期，鄭州大學劉春太教授和馮躍戰副教授團隊提出了一種一步溶膠-凝膠滲透自組裝策略，可規模化制備具有優異導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動等領域的應用。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網絡，然后將聚乙二醇（PEG）分子直接滲透到ANF/GNP凝膠網絡中，實現PEG的原位填充，干燥之后得到具有層狀結構的PEG/ANF/GNP相變薄膜。ANF/GNP獨特的封裝網絡阻礙了PEG的泄漏，在循環加熱和冷卻中呈現穩定且可逆的相變行為。得益于GNP的高面內導熱性、強的光吸收和光熱效應，PEG/ANF/GNP相變層狀薄膜表現出優異的面內導熱系數（23.7 W/mK, 28.1 vol% GNP）和光熱轉換能力（90 °C, 200 mW/cm2）。結合高熱導性能、光/熱驅動的相變行為、以及溫度依賴的剛-柔態轉變，該相變層狀薄膜在熱管理和光熱驅動等領域展示出巨大的應用前景。

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穩態剪切粘度，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）對應的一維強度曲線。（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）相應的熔融/結晶焓。（c）歸一化熔融潛熱，插圖為循環加熱/冷卻的DSC曲線。（d）500次加熱/冷卻循環PEG/ANF/GNP膜的質量變化。（e）PEG和PEG/ANF/GNP薄膜在80 ℃下不同時間的泄漏試驗。循環過程中（f）吸熱和（g）放熱的DSC曲線。（h）PEG/ANF/GNP薄膜加熱和冷卻過程的溫度變化曲線和（i, j）相應的紅外熱像圖。

圖4. PEG/ANF/GNP層狀膜的導熱性能。（a）PEG/ANF/GNP薄膜的面內（λ_∥）和垂直方向（λ_⊥）導熱系數和（b）熱增長量。（c）循環加熱/冷卻過程中薄膜的面內導熱系數。（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）熱傳導機理圖。PEG/ANF/GNP層狀薄膜作為TIMs的（g）示意圖，（h）紅外熱像圖和（i）相應的溫度變化曲線。

圖5. （a）模擬太陽光輻射的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-時間響應曲線。（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）相應的紅外熱像圖。（f）飽和穩態溫度與輻照功率密度的實驗數據和線性擬合曲線。（g）循環開關和（h）功率密度為150 mW/cm²長期光照時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力-應變曲線，插圖為實際測試中的照片。（d）PEG/ANF/GNP薄膜的儲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內部聚合物鏈在結晶和熔融狀態下的微觀結構演變的示意圖。基于相變薄膜的動態夾持器：（h）工作原理圖，（i）光驅動和（j）熱驅動的變形行為。

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

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

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（責任編輯：xu）

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