郑大刘春太教授/冯跃战副教授团队 AFM：基于溶胶-凝胶渗透自组装的相变层状薄膜用于高效热管理与光/热驱动

2024-04-21 来源：高分子科技

相变材料（PCMs）具有独特的热存储和释放能力、稳定的物理/化学特性，利用其相变机制，PCMs可以高效地储存热能并根据需要释放，在热管理和能量转换等领域呈现出广阔的应用潜力。然而，导热性差和易泄漏问题等持续存在的挑战严重阻碍了PCMs的实际应用。虽然现有方法通过预构建和引入三维导热网络来解决这些问题，但仍受到不连续的制备方法、高能耗和模具尺寸的限制。因此，迫切需要开发一种简单可行的工艺来制备具有高导热和防泄漏性能的PCMs。

近期，郑州大学刘春太教授和冯跃战副教授团队提出了一种一步溶胶-凝胶渗透自组装策略，可规模化制备具有优异导热性和防泄漏性能的相变层状薄膜，并深入探究了其在热管理和光热驱动等领域的应用。利用芳纶纳米纤维（ANF）的凝胶特性，将石墨烯纳米片（GNP）引入三维ANF网络，然后将聚乙二醇（PEG）分子直接渗透到ANF/GNP凝胶网络中，实现PEG的原位填充，干燥之后得到具有层状结构的PEG/ANF/GNP相变薄膜。ANF/GNP独特的封装网络阻碍了PEG的泄漏，在循环加热和冷却中呈现稳定且可逆的相变行为。得益于GNP的高面内导热性、强的光吸收和光热效应，PEG/ANF/GNP相变层状薄膜表现出优异的面内导热系数（23.7 W/mK, 28.1 vol% GNP）和光热转换能力（90 °C, 200 mW/cm2）。结合高热导性能、光/热驱动的相变行为、以及温度依赖的刚-柔态转变，该相变层状薄膜在热管理和光热驱动等领域展示出巨大的应用前景。

图1. （a）ANF/GNP分散液的球磨制备示意图。ANF/GNP的（b）TEM，（c）HR-TEM，（d）AFM图。GNP，ANF，ANF/GNP的（e）XRD图，（f）FTIR光谱，（g）拉曼光谱，（h）UV-vis吸收光谱，（i）XPS谱图。（j）ANF和ANF/GNP的N 1s的XPS高分辨谱图。（k）不同GNP含量的ANF/GNP稳态剪切粘度，插图为ANF/GNP分散液的照片。

图2. （a）PEG/ANF/GNP相变层状薄膜的制备流程图。（b）溶胶-凝胶渗透自组装成膜的原理图。（c）溶剂渗透后的凝胶膜和（d）大面积PEG/ANF/GNP层状膜的照片。（e-h）PEG/ANF/GNP膜的SEM图和C、O、N元素分布。（i）PEG/ANF/GNP膜的二维WAXD图及其（j）对应的一维强度曲线。（k）赫尔曼的取向因子。（l）PEG/ANF/GNP层状膜的XRD曲线。

图3. PEG/ANF/GNP膜的（a）相变行为和（b）相应的熔融/结晶焓。（c）归一化熔融潜热，插图为循环加热/冷却的DSC曲线。（d）500次加热/冷却循环PEG/ANF/GNP膜的质量变化。（e）PEG和PEG/ANF/GNP薄膜在80 ℃下不同时间的泄漏试验。循环过程中（f）吸热和（g）放热的DSC曲线。（h）PEG/ANF/GNP薄膜加热和冷却过程的温度变化曲线和（i, j）相应的红外热像图。

图4. PEG/ANF/GNP层状膜的导热性能。（a）PEG/ANF/GNP薄膜的面内（λ_∥）和垂直方向（λ_⊥）导热系数和（b）热增长量。（c）循环加热/冷却过程中薄膜的面内导热系数。（d, e）从左到右依次为17.1, 24.7, 28.1, 33.5 vol% GNP含量的PEG/ANF/GNP薄膜的红外热像图。（f）热传导机理图。PEG/ANF/GNP层状薄膜作为TIMs的（g）示意图，（h）红外热像图和（i）相应的温度变化曲线。

图5. （a）模拟太阳光辐射的PEG/ANF/GNP薄膜工作示意图。（b）PEG/ANF/GNP膜的UV-vis吸收光谱，（c）200 mW/cm²光功率密度下的温度-时间响应曲线。（d）28.1 vol% PEG/ANF/GNP薄膜在不同光功率密度下的表面温度变化和（e）相应的红外热像图。（f）饱和稳态温度与辐照功率密度的实验数据和线性拟合曲线。（g）循环开关和（h）功率密度为150 mW/cm²长期光照时28.1 vol% PEG/ANF/GNP薄膜的表面温度变化。（i）光照射的PEG/ANF/GNP薄膜循环弯曲的红外热像图。

图6. （a）PEG/ANF/GNP薄膜提起200 g的砝码。（b）不同GNP含量的薄膜在25 ℃和（c）28.1 vol%薄膜在不同温度下的应力-应变曲线，插图为实际测试中的照片。（d）PEG/ANF/GNP薄膜的储能模量随温度的变化。（e）PEG/ANF/GNP薄膜在25 ℃和80 ℃下的热致柔性照片。（f）PEG/ANF/GNP薄膜热致形状记忆行为的照片。（g）PEG内部聚合物链在结晶和熔融状态下的微观结构演变的示意图。基于相变薄膜的动态夹持器：（h）工作原理图，（i）光驱动和（j）热驱动的变形行为。

该工作以题为“Scalable Sol-Gel Permeation Assembly of Phase Change Layered Film Towards Thermal Management and Light-Thermal Driving Applications”发表在《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者为郑州大学橡塑模具国家工程研究中心博士生韩高杰，通讯作者为郑州大学冯跃战副教授和刘春太教授。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401295

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（责任编辑：xu）

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