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廣西大學(xué)徐傳輝教授 CEJ：具有電/光熱升溫功能的柔性可穿戴相變復(fù)合材料用于個(gè)人熱管理與人體運(yùn)動(dòng)檢測
2024-03-19  來源：高分子科技

  近年來，個(gè)人熱管理 (PTM) 技術(shù)作為一種節(jié)能、實(shí)用、便捷的溫度管理策略備受關(guān)注。其中，熱能儲(chǔ)存（TES）是設(shè)計(jì) PTM 設(shè)備的關(guān)鍵。在各種TES策略中，相變材料（PCM），如烷烴、脂肪酸、聚乙二醇（PEG）和石蠟，由于其高潛熱和可逆的熱調(diào)節(jié)，已在PTM領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在目前報(bào)道的相變材料中，PEG由于其高固液變化潛熱和環(huán)境友好性，在熱能存儲(chǔ)方面是極具競爭力，但在相變時(shí)容易泄漏，限制了可穿戴熱管理場景中的應(yīng)用。此外，柔性傳感器在PTM領(lǐng)域的潛在應(yīng)用也引起了廣泛關(guān)注。可穿戴電子設(shè)備可通過機(jī)械變形引起的電阻變化來捕捉運(yùn)動(dòng)信號(hào)，從而監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)。目前，開發(fā)具有光熱和電熱功能的復(fù)合相變材料在可穿戴熱管理領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，PTM設(shè)備中實(shí)現(xiàn)多模式熱管理和傳感性能的功能集成仍然具有挑戰(zhàn)性。


  近日，廣西大學(xué)徐傳輝教授課題組通過膠乳成膜和壓制工藝制備了一種具有PTM和人體監(jiān)測功能的三明治結(jié)構(gòu)相變復(fù)合材料（SSPCC）：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）/聚乙二醇（PEG）復(fù)合膜為中間層，水性聚氨酯（WPU）/碳納米管（CNTs）膜為頂層和底層。WPU/CNT膜作為三明治結(jié)構(gòu)的上層及下層，其在填充了3 phr CNTs的條件下電導(dǎo)率和拉伸強(qiáng)度分別可以達(dá)到2.83 S/m和12.96 MPa。由于夾層結(jié)構(gòu)的多重協(xié)同效應(yīng)，SSPCC表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性（斷裂伸長率約為1173%）與良好的電熱/光熱性能。當(dāng)PEG的質(zhì)量比達(dá)到50 wt%時(shí)，柔性EVA/PEG作為內(nèi)層在相變過程中具有71.45 J/g的熔融潛熱和65.79 J/g的冷凍潛熱。該相變復(fù)合材料具有良好的信息加密和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測能力，在可穿戴個(gè)人熱管理和醫(yī)療設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景。 


圖 1 柔性SSPCC的制備及結(jié)構(gòu)


  通過膠乳成膜和壓制工藝制備SSPCC（圖1）。首先通過膠乳成膜制備出WPU/CNT膜和EVA/PEG膜。將兩片干燥的WPU/CNT薄膜切割成合適的形狀。隨后，將不含CNT的膜的表面牢固地層壓到EVA/PEG膜上，在模壓后形成三明治結(jié)構(gòu)。WPU/CNT膜不是均勻的膜，CNT在成膜過程中沉積在WPU網(wǎng)絡(luò)底部，表現(xiàn)出高導(dǎo)電性。因此，在模壓過程中選擇合適的壓力來保護(hù)CNT的導(dǎo)電路徑是至關(guān)重要的。此外，高溫高壓將不可避免地影響EVA/PEG中間層的可逆相變能力。選擇合適的壓力和溫度是制備SSPCC的關(guān)鍵。 


圖 2  柔性SSPCC的力學(xué)性能


  力學(xué)性能對于柔性復(fù)合相變材料是十分重要的（圖2）。由于碳納米管在WPU基體中的增強(qiáng)作用。碳納米管會(huì)限制WPU在外力作用下的變形，使薄膜強(qiáng)度和模量顯著提高。有趣的是，在壓制形成三明治結(jié)構(gòu)之后，柔性SSPCC表現(xiàn)出3.05 MPa的拉伸強(qiáng)度和1173%的斷裂伸長率。 


圖 3 柔性SSPCC的儲(chǔ)熱能力


  儲(chǔ)熱能力是相變材料的一個(gè)重要性質(zhì)（圖3）。相對較低的Tm便于在EP50膜中儲(chǔ)存熱量以用于身體熱量管理。PEG晶體的熔化意味著外部能量的輸入，而結(jié)晶將伴隨熱量的釋放。EP30和EP50的包封效率與EVA/PEG膜中PEG的含量相似。EVA/PEG膜的儲(chǔ)能效率也與PEG含量成正比，這意味著潛熱的釋放可以通過調(diào)節(jié)PEG的量來調(diào)節(jié)。EP50膜的XRD特征衍射峰在加熱-冷卻循環(huán)后變化很小，表明EP50在可逆相變過程中具有良好的穩(wěn)定性。 


圖 4 柔性SSPCC的電加熱性能


  對于在電熱模式下運(yùn)行的PTM器件，電-熱驅(qū)動(dòng)性能至關(guān)重要（圖4）。材料表面的飽和溫度與施加電壓的平方成正比，滿足焦耳加熱定律。SSPCC具有精確的熱管理能力，可以在7~9.5伏的低電壓下作為加熱器，為人體緩沖環(huán)境溫度波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)還證明了柔性SSPCC電加熱性能具有良好的穩(wěn)定性，從而滿足個(gè)人對溫暖和舒適的需求。 


圖 5 柔性SSPCC的光加熱性能


  由于CNT的光熱效應(yīng)，SSPCC可以在近紅外光下快速吸收能量。移除光源，儲(chǔ)存的熱量將立即釋放（圖5）。SSPCC在125 mW/cm2功率下照射200 s時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率（76.39%）和高峰值溫度（63.3°C）。該材料在關(guān)燈后表現(xiàn)出熱釋放，表現(xiàn)出80 s的熱量釋放平臺(tái)，顯示出良好儲(chǔ)熱性能。由于其優(yōu)異的溫度調(diào)節(jié)能力，SSPCC可以緩解人們從炎熱的室外進(jìn)入房間時(shí)溫差帶來的不適。當(dāng)人進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，由于EP50層中的相變功能，材料表面溫度不會(huì)迅速降低，向人體釋放熱量約40秒，起到緩沖溫差的作用。 


圖 6 柔性SSPCC的傳感功能


  由于出色的機(jī)械性能和良好的導(dǎo)電性，柔性SSPCC在監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)方面表現(xiàn)出潛力（圖6）。SSPCC可作為傳感器檢測到手指關(guān)節(jié)輕微停頓的細(xì)節(jié)，以及手指快速彎曲、手腕彎曲、肘部彎曲和膝蓋彎曲等人體關(guān)節(jié)活動(dòng)的信號(hào)。


  該研究以“A flexible wearable phase change composite with electro-/photo-thermal heating for personal thermal management and human body motion detection”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》，通訊作者為廣西大學(xué)徐傳輝教授，第一作者為廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2022級碩士研究生羅天文。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金（22175044）、廣西自然科學(xué)基金（2023GXNSFDA026049）的資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150443

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