浙江大学赵骞教授团队 Matter：静电喷涂制备多孔水凝胶涂层用于高效、可持续的蒸发冷却

2024-09-24 来源：高分子科技

液体喷雾冷却广泛应用于电力电子设备的热管理。直接喷水虽然简单，但不可避免地导致大量水浪费。用水凝胶涂层保水可以减少水的消耗，但现有的非多孔涂层由于水再吸收缓慢而存在局限性。浙江大学化工学院的赵骞教授团队提出并实现了一种喷涂方法，可以原位快速形成多孔水凝胶涂层，可快速吸收并固定用于蒸发降温的水，从而提高热管理效率。相关成果“Sprayable porous hydrogel coating for efficient and sustainable evaporative cooling”2024年9月23日发表在Matter上。论文通讯作者为倪楚君研究员与赵骞教授，第一作者为博士生李烨。

电子设备过热后效率显著降低，寿命缩短，甚至永久性损坏。工业界采用包括辐射制冷、热管冷却和液体喷雾冷却在内的多种冷却方法。其中，液体喷雾冷却因其高热传递通量、灵活的温度控制、以及操作简单等特点被广泛用于工业设备降温。水作为冷却液具有低成本、无污染和高蒸发焓等优势。然而，直接喷洒水在开放系统中会导致大量消耗，重新收集冷却水在经济上往往不切实际。因此，平衡有效热管理与资源节约的可持续解决方案至关重要。

水凝胶是能够储存大量水，水分蒸发后续吸水再生以重复降温工作。但普通无孔水凝胶吸水再生较慢，通常需数小时。多孔水凝胶可显著提高吸水再生速度，但现有冻干、发泡、牺牲模板等多孔水凝胶制备方法难以与现有的水凝胶涂装技术（如表面桥接、表面聚合、浸涂和喷涂等）匹配，如何在不规则设备表面原位大面积涂装多孔水凝胶存在挑战。

针对这一挑战，该研究发明一种行之有效的方法。该方法首先喷涂聚乙烯醇（PVA）和单宁酸（TA）混合粉末，随后喷涂戊二醛（GA）水溶液。PVA和TA的水溶解导致氢键网络的瞬时形成，固定初始颗粒间的孔隙。PVA与GA之间的后续化学交联反应不仅永久稳定了孔隙，还增强了涂层的机械性能（图1与图2）。研究对多孔结构的形成机理进行了探讨。当TA含量不足时，初始颗粒间的孔隙难以固定，PVA完全溶解后才发生交联反应，难以有效形成多孔结构。而当GA浓度低时，后交联不完全，动态的PVA/TA氢键网络受水分子扩散的影响，将逐渐由多孔结构转变为无孔结构。由此证明，这种两步交联与颗粒溶解的动力学调控是形成孔结构的关键（图3）。

图1：多孔水凝胶的合成过程及机理

图2：多孔水凝胶的力学性能

图3：多孔水凝胶的孔结构

之后，研究利用静电喷涂方法实现了多孔水凝胶涂层的大面积制备。涂层的厚度可由电压与气流速度等条件进行控制。多孔涂层具有机械稳定性与较强的附着力，可稳定涂装在木材、金属、玻璃、塑料等不同材料表面，且任意复杂形状的表面均能被均匀涂装（图4）。研究进一步在太阳能发电板等功率电子器件上形成多孔水凝胶涂层。这种涂层可快速且可重复的吸收喷淋水，并长效保持，从而利用更少的冷却水实现更高效并持久的降温效果以提高电子设备的工作效率（图5）。

图4：粉末喷涂过程和涂层粘附性

图5：多孔水凝胶涂层的降温效果

这种简单高效的方法多孔涂层制备原理可以扩展至其他聚合物体系，以提高其他冷却介质的使用效率。除热管理之外，这种独特的水凝胶涂装方法有望在农业、环境、以及生物医学等与水相关的场景中得以利用。

原文链接：https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(24)00448-X

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（责任编辑：xu）

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