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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(qū)動
2024-04-21  來源:高分子科技

  相變材料(PCMs)具有獨特熱存儲和釋放能力、穩(wěn)定的物理/化學(xué)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(zhuǎn)換等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。然而,導(dǎo)熱性差和易泄漏問題等持續(xù)存在的挑戰(zhàn)嚴(yán)重阻礙了PCMs的實際應(yīng)用。雖然現(xiàn)有方法通過預(yù)構(gòu)建和引入三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)來解決這些問題,但受到不連續(xù)的制備方法、高能耗和模具尺寸限制。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(dǎo)熱和防泄漏性能PCMs。



  近期,鄭州大學(xué)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(dǎo)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(qū)動等領(lǐng)域的應(yīng)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(luò),然后將聚乙二醇(PEG)分子直接滲透到ANF/GNP凝膠網(wǎng)絡(luò)中,實現(xiàn)PEG的原位填充,干燥之后得到具有層狀結(jié)構(gòu)的PEG/ANF/GNP相變薄膜。ANF/GNP獨特的封裝網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)熱性、強的光吸收和光熱效應(yīng),PEG/ANF/GNP相變層狀薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)(23.7 W/mK, 28.1 vol% GNP)和光熱轉(zhuǎn)換能力(90 °C, 200 mW/cm2)。結(jié)合高熱導(dǎo)性能、光/熱驅(qū)動的相變行為、以及溫度依賴的剛-柔態(tài)轉(zhuǎn)變,該相變層狀薄膜在熱管理和光熱驅(qū)動等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用前景。 


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。 


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(yīng)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。 


3. PEG/ANF/GNP膜的(a)相變行為和(b)相應(yīng)的熔融/結(jié)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(zhì)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(yīng)的紅外熱像圖。 


4. PEG/ANF/GNP層狀膜的導(dǎo)熱性能。(a)PEG/ANF/GNP薄膜的面內(nèi)(λ)和垂直方向(λ)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)力-應(yīng)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(jié)晶和熔融狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)演變的示意圖。基于相變薄膜的動態(tài)夾持器:(h)工作原理圖,(i)光驅(qū)動和(j)熱驅(qū)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(xué)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(xué)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(xué)基金的支持。


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

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