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鄭大劉春太教授/馮躍戰(zhàn)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(wěn)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(jù)需要釋放，在熱管理和能量轉換等領域呈現(xiàn)出廣闊的應用潛力。然而，導熱性差和易泄漏問題等持續(xù)存在的挑戰(zhàn)嚴重阻礙了PCMs的實際應用。雖然現(xiàn)有方法通過預構建和引入三維導熱網(wǎng)絡來解決這些問題，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，迫切需要開發(fā)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(zhàn)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(guī)；苽渚哂袃(yōu)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(wǎng)絡，然后將聚乙二醇（PEG）分子直接滲透到ANF/GNP凝膠網(wǎng)絡中，實現(xiàn)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(wǎng)絡阻礙了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)導熱性、強的光吸收和光熱效應，PEG/ANF/GNP相變層狀薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的面內(nèi)導熱系數(shù)（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(tài)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(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(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(huán)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(nèi)（λ∥）和垂直方向（λ⊥）導熱系數(shù)和（b）熱增長量。（c）循環(huán)加熱/冷卻過程中薄膜的面內(nèi)導熱系數(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(wěn)態(tài)溫度與輻照功率密度的實驗數(shù)據(jù)和線性擬合曲線。（g）循環(huán)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(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(nèi)部聚合物鏈在結晶和熔融狀態(tài)下的微觀結構演變的示意圖；谙嘧儽∧さ膭討B(tài)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(fā)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(zhàn)副教授和劉春太教授。該研究得到了國家重點研發(fā)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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