广西大学徐传辉教授《Adv. Mater.》：受神经元启发的用于环境能量收集和呼吸监测的柔性相变复合材料

2024-10-24 来源：高分子科技

体温调节和生理监测对人类健康至关重要。面对气候变化和石化资源的日益短缺，开发一个与绿色能量收集、储存、释放和生理监测功能相结合的柔性可穿戴热管理平台是非常有意义的。相变材料（PCM）在相变过程中吸收和释放大量潜热，有望用于热能储存（TES）。值得注意的是，PCM有利于解决近年来引起广泛关注的能源利用的间歇性问题。传递到PCM进行充电的能量基本上是热能。传统的传热机制包括辐射、对流和传导。太阳辐射能无处不在，容量巨大，易于获取。带有PCM的太阳能-热能储存（STES）系统可以捕获、转换和储存太阳辐射能，并按需释放储存的能量。此外，人类日常生活中常见的热能来源包括运行中的机器、车辆尾气和运行中的电子设备。这种浪费的热量是可再生能源的重要来源，也可以通过热传导被PCM吸收。然而，传统的固液相变材料仍然存在热稳定性差、易泄漏和机械性能差的问题。可穿戴热管理平台存在着功能单一、力学性能差等问题。另一方面，高效的能量转换也是目前迫切需要解决的问题。因此，开发具有高能量转换效率、多种能量收集和健康监测功能的柔性可穿戴热管理平台具有重大挑战。

近日，广西大学徐传辉教授课题组通过自组装策略，利用阿拉伯胶（GA）同时实现了相变材料聚乙二醇（PEG）的封装和羧基化多壁碳纳米管（cMWCNT）在柔性聚乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）基质中的靶向分布。所制备的EGP60-3具有14.88 MJ^-3的出色韧性值和565.67%的高断裂伸长率。具有高熔融焓（71.11 J g^-1）的柔性相变复合材料在808 nm激光照射（105 mW cm^-2）下表现出优异的光热转换效率（95.27%）。该成果以题为“Neuron-Inspired Flexible Phase Change Materials for Ambient Energy Harvesting and Respiration Monitoring” 发表在《Advanced Materials》上， 2024级博士研究生罗天文为第一作者，徐传辉教授为通讯作者。

1.EGPX-Y的制备

EGPX-Y是使用物理溶液混合和超声波法在水溶液中制备的。首先，将GA溶解在PEG水溶液中，并基于氢键进行自组装。简而言之，GA和PEG用于形成PEG@GA微球。随后，cMWCNT通过超声波成功分散在溶液中。与此同时， PEG@GA/cMCNT通过超声诱导过程直接形成。EVA作为一种柔性聚合物骨架，有助于在乳胶成膜过程中保持微球的原始结构。在PEG@GA/cMWCNT中，cMWCNT分散在微球的周围，直径约为86 nm。有趣的是， EGP60-3内部也发现了这种结构，微球周围富集了大量的cMWCNT。这些微球的平均直径约为5.59 μm。在乳胶膜形成过程中，EGPX-Y表面也观察到了随机形成的不规则的PEG@GA/cMWCNT微球，意味着微穹顶结构的形成。

图1 EGPX-Y的制备

2.力学性能

当VA含量超过30 wt% 时，无规共聚物EVA具有类似橡胶的特性，为EGPX-Y复合材料提供了柔性支撑。随着cMWCNT含量从0 wt% 增加到3.5 wt%，EGPX-Y的拉伸强度从2.09±0.19增加到3.59±0.03 Mpa。其中，cMWCNT浓度为3 wt% 时的材料韧性最高（14.88±0.46 MJ m^-3）。杨氏模量从3.82±0.47提高到6.63±0.6 Mpa。GA的引入不仅增强了cMWCNT与EVA之间的界面相容性，还促进了微球分散在EVA基质中，从而提高了材料的机械性能。实验结果表明，EGP60-3具有最佳的力学性能（应变565.67%，拉伸强度3.53 MPa，杨氏模量5.81 MPa，韧性14.88 MJ m^-3）。

图2 EGPX-Y的力学性能

3.EGPX-Y的热稳定性和光热转换能力

当EGPX-Y加热至44-50 °C表现出相变材料的吸热行为。在冷却过程中，随着温度逐渐降低并稳定在约33 °C，表明PEG结晶释放了储存的潜热。此外，在泄漏测试中评估了加热温度（70-120 °C）和时间（70 °C，30-60分钟）对泄漏率的影响。EGP100-3的泄漏行为随着加热温度的升高而变化，当超过100 °C时才会剧烈变化。同样，只有在加热50分钟（70 °C）时，泄漏率才会线性增加。EGP100-3表现出优异的热稳定性和抗泄漏能力。

图3 EGPX-Y的热稳定性

通过使用808 nm激光评估EGPX-Y的光热转换能力。当暴露在外界激光下时，材料表面的微穹顶结构迅速反应以捕获光能。这些热量一部分存储在微球内部，意味着内部相变材料固液转变，另一部分将通过cMWCNT的热传导传递到相邻的微球。

图4 EGPX-Y的光热转换能力

4.呼吸监测应用

由EGPX-Y制备的传感器可以准确地识别人体呼吸频率，包括正常、快速和慢速的呼吸状态。在11% RH和92% RH之间的连续湿度变化下，柔性EGPX-Y的ΔR/R₀值的变化在长达8000秒的循环后保持稳定，证实了EGP100-3的良好湿气响应性和出色的可重复性。柔性EGP100-3在四种变形状态下（扁平、扭曲、弯曲和打结）能准确地响应水分的变化。长达0.6小时的监测过程中，志愿者依次从事工作、睡眠和阅读等活动，该复合材料可以实时、准确、精确地监测人体呼吸状况。

图5 EGPX-Y的呼吸监测应用

5.湿气发电应用

此外，EGP100-3可以通过利用羟基和羧基来捕获水分子，从而可被设计为湿气发电机（MEG）。当暴露在空气环境中时，EGP100-3可以自发吸收水分。由于其表面上的快速水合和脱水行为，EGP100-3表现出超快的响应和恢复速度，响应时间为88.4 ms，恢复时间为265.9 ms。因此，当人口腔呼出的水分靠近设备时，可以快速捕获电压信号。将该设备放置于口罩内进行呼吸监测时，可以同时输出电压和电流信号，准确地监测不同的呼吸状态。

图6 EGPX-Y的湿气发电应用

综上所述，热量和水分可以作为PCM中接收、存储和传输的“信息”。制备的材料本质上表现出快速的热/湿响应能力。EGP60-3具有优异的韧性（14.88 MJ m^-3）和高断裂伸长率（565.67%）。此外，EGP100-3在808 nm激光照射（105 mW cm^-2）下表现出令人满意的热管理能力（71.11 J g^-1）、优异的热循环稳定性和光热转换效率（95.27%）。由于PEG和GA的协同作用增强了其优异的吸湿性，EGP100-3对水分子表现出超灵敏的反应性。当应用于人类呼吸监测时，柔性EGP100-3具有高灵敏度、出色的稳定性和快速的响应/恢复时间（50.4/50.5 ms）。研究团队创新性地探索了PCM在MEG中的应用，提供了一种制造柔性复合PCM的策略，该策略在开发能源转换和健康监测领域的下一代可穿戴设备方面具有巨大潜力。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202411820

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（责任编辑：xu）

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