西南科大杨文彬教授团队 ACS AMI：具有γ射线屏蔽与热调节功能的柔性相变复合材料

2023-01-30 来源：高分子科技

随着核能在军事、医疗、工业等各个领域的逐步应用，人类接触电离辐射频率增加，为了保证工作人员的健康及核能有效利用，辐射防护材料被广泛应用。但目前的辐射防护制品普遍存在温度调节能力弱的缺点，无法很好满足极端环境下的工作需求。

前期工作中，西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室杨文彬教授团队以石蜡作为相变芯材，钨酸铅为壳体，制备具有γ射线屏蔽功能的石蜡@钨酸铅（Pn@PWO）相变微胶囊（Journal of Energy Storage 2022, 50: 104245.）。实际应用中，相变材料应具有一定程度的形变能力，而微胶囊是无法直接满足柔韧性要求的，需要将相变微胶囊填充到聚合物基体，制备柔性相变复合材料。Pn@PWO相变微胶囊在反复相变过程中石蜡易泄露，影响其热能存储性能及力学性能；其强疏水性，也限制了在聚乙烯醇、水性聚氨酯等水性体系的应用。

为了解决上述问题，杨文彬教授团队通过乳液模板及界面缩聚法在Pn@PWO相变微胶囊表面构筑二氧化硅层（SiO₂），并将改性后的微胶囊填充到水性聚氨酯中，制备柔性相变复合材料（图1）。通过钨酸铅外壳和二氧化硅层的双壳层结构，增强了微胶囊的防漏性能及热循环稳定性，同时富含极性基团的SiO₂层引入，改善微胶囊的润湿性（图2）。微胶囊良好的润湿性及氢键网络的形成，改善微胶囊与聚氨酯基体的界面相容性，提高复合材料的力学性能。WPU/Pn@PWO@SiO₂相变复合材料的拉伸强度达到10.98MPa，是WPU/Pn@PWO相变复合材料的7倍以上（图3）。此外，相变复合材料也表现出超过41 J/g的潜热容量，良好的热循环稳定性、热调节性能以及γ射线屏蔽性能。在105.3 keV和86.5 keV时，质量衰减系数分别为1.38 cm²/g和1.12 cm²/g（图4、5）。这些性能将极大地促进相变复合材料在具有热调节功能的γ射线屏蔽装置中的应用，例如涉核工作者的防寒服、具有保温功能的防辐射建筑板材。同时，也为开发高性能和多功能相变复合材料的应用提供了新思路。该工作以“Flexible and Mechanically Enhanced Polyurethane Composite for γ-ray Shielding and Thermal Regulation”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章第一作者是西南科技大学材料与化学学院博士研究生蔡天瑜，通讯作者为西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室杨文彬教授，该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1. 双壳层Pn@PWO@SiO₂相变微胶囊及其柔性相变复合材料的制备示意图

图2. Pn@PWO@SiO₂相变微胶囊的微观结构、热循环稳定性及润湿性表征

图3 相变复合材料的力学性能及界面增强机制

图4 相变复合材料的热性能参数及热稳定性

图5. 相变复合材料的γ射线屏蔽性能及热调节性能表征

近年来，杨文彬教授团队在相变复合材料的设计与调控研究方面，取得了一系列研究进展，主要包括相变微胶囊的设计与构筑（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.），导热相变复合材料的调控与构建（Journal of Energy Storage, 2022, 55: 105428; Polymer, 2020, 204: 122824；Solar Energy Materials and Solar Cells, 2019, 200: 109957）以及相变复合材料的热传导机制数值模拟（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.）。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c18252

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（责任编辑：xu）

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