第十三届金漆奖

辽宁大学熊英《AFM》:超稳定相变涂层!可在各种基材上实现快速热交换

相变材料(PCMs)在恒定的转变温度下可以吸收和释放大量的潜热,在热管理中得到了广泛的应用。固-液和固-固是两种基本相变状态。基于固液相变的相变材料,防止材料泄漏和变形是实际应用中的首要要求,因为其成分,如石蜡、脂肪酸、聚(乙烯)乙二醇)(PEG)会在相变温度以上熔化成液体。尽管许多研究致力于通过物理封装来提高它们的稳定性,但泄漏风险仍然存在。相比之下,基于固-固相变的PCMs很少因化学交联而泄漏或变形。人们付出了巨大的努力来构建显示固-固相变行为的PCM。然而,大多数PCM的最终形态呈粉末、板状或块状刚性形式,难以粘附到热源或目标基材上。

鉴于此,辽宁大学熊英教授课题组开发了基于反应性聚(乙二醇)(RPEG)的PCM涂层并用于直接热能交换和存储。RPEG可通过PEG与3-异氰酸根合丙基三乙氧基硅烷(IPTS)反应,然后在弱酸中水解获得。制备的PCMs涂层可涂覆在各种基材上,如棉织物、木材、马口铁,甚至不规则物体。涂层显示出明显的固-固相变特性和高储能密度(142.8 J g-1)。在自交联分散剂的辅助下,掺杂多壁碳纳米管(MWCNT)的涂层可在RPEG和MWCNTs之间形成交联网络,从而表现出优异的高温形状稳定性和快速的热交换性能。采用喷涂法制备的调温服,洗涤3次后性能依然能够保持稳定。相变涂层的这些优异性能使其在建筑、家具、可穿戴设备等领域展现出巨大的应用前景。相关工作以“Ultra-Stable Phase Change Coatings by Self-Cross-Linkable Reactive Poly(ethylene glycol) and MWCNTs”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

辽宁大学熊英《AFM》:超稳定相变涂层!可在各种基材上实现快速热交换

RPEG的设计、合成和表征

对于基于单组分的涂料,由于复合材料内部缺乏交联结构,低耐热性或耐溶剂性是常见的致命弱点。因此,接枝具有反应性基团的聚合物,尤其是可以自交联的聚合物,将有助于构建具有优异形状稳定性和易加工性的PCM。作者成功合成了可自交联的预聚物RPEG,并基于单组分RPEG制备了交联PCMs(RPCMs)涂层(图1)。此外,采用多壁碳纳米管,在含有多硅烷醇基的分散剂辅助下,提高了相变材料的热导率和机械强度,促进了多壁碳纳米管的均匀分布,还提高了PCMs涂层的交联密度。红外光谱和核磁氢谱表征结果表明,成功合成了RPEG-10000,RPEG-(8000, 6000, 4000, 2000)

辽宁大学熊英《AFM》:超稳定相变涂层!可在各种基材上实现快速热交换
图1 RPCMs/CNT的合成过程

自立式RPCMs薄膜的制备与性能

通过简单地将预聚物浇注到PS塑料模具中来制备带有和不带有MWCNT的自立式RPCMs薄膜。RPCMs-10000可以卷起来而不会出现裂纹,而且还可以裁剪成复杂的定制图案(图2)。SEM结果表明,MWCNTs均匀分布在其他复合材料中,并且随着MWCNTs密度的增加,没有出现聚集。作者研究了RPCMs薄膜的相变稳定性(图3)。将温度升高到100°C,PEG10000完全变成液体形式,而RPCMs薄膜保持其原始形状,表现出明显的固-固相转变行为。RPCMs-10000的断裂强度为3.1MPa,当掺杂1.0 wt% MWCNTs时,断裂强度大幅提高至7.1MPa,断裂伸长率从0.9%显着增加到2.3%。此外,RPCMs-10000还表现出最大的相变焓142.8 J g-1,该值优于大多数基于PEG的PCM复合材料(图4)。MWCNTs的加入有效地提高了RPCMs薄膜的热导率,在仅掺杂1.0 wt% MWCNT的情况下,热导率增加了约44%(图5)。

辽宁大学熊英《AFM》:超稳定相变涂层!可在各种基材上实现快速热交换
图2 PCMs-10000和RPCMs-10000/CNT-1.0 wt%的照片和SEM图像

辽宁大学熊英《AFM》:超稳定相变涂层!可在各种基材上实现快速热交换
图3 RPCMs薄膜的相变稳定性和机械性能

辽宁大学熊英《AFM》:超稳定相变涂层!可在各种基材上实现快速热交换
图4 RPCMs薄膜的相变焓

辽宁大学熊英《AFM》:超稳定相变涂层!可在各种基材上实现快速热交换
图5 RPCMs薄膜温度变化的红外图像和曲线图

RPCMs涂层的制备和性能

RPCMs薄膜表现出优异的成膜能力,使得前体RPEGs有望成为储能涂层的理想材料。基于高活性硅烷醇基团,可以在各种基材上轻松形成RPCMs涂层。RPEG-10000和不含1.0 wt% MWCNTs分别喷涂在木板和铁板上的二分之一上,表现出良好的粘合牢度(图6)。涂有RPCMs-10000/CNT-1.0 wt%的基材比涂有RPCMs-10000的基材表现出更快的温度增量,从而提高了光捕获和光热转换效率。RPEGs 优异的成膜性能使得在织物上大规模构建PCMs涂层成为可能,这在可穿戴热调节设备中非常理想。将含有1.0 wt% MWCNTs的RPEGs-10000以“LNU”的图案喷涂在黑色T恤上(图7)。在氙灯照射后,热像仪可以清楚地观察到这些字母。涂层区域的温度在20秒辐照下迅速升高至45.3 °C,并在室温下缓慢下降至37.2 °C,持续时间超过10分钟。此外,通过洗衣机进行水洗3次后图案未破坏,热像仪显示仍保持良好的蓄热性能。

辽宁大学熊英《AFM》:超稳定相变涂层!可在各种基材上实现快速热交换
图6木板和铁板上RPCMs-10000和RPCMs-10000/CNT-1.0 wt%涂层照片和红外图像

辽宁大学熊英《AFM》:超稳定相变涂层!可在各种基材上实现快速热交换
图7带有图案RPEGs-10000/CNT-1.0 wt%涂层的T恤的照片和红外图像

小结:作者合成了具有不同分子量的可自交联的RPEGs并用于构建PCMs涂层。RPEGs表现出优异的成膜能力并与含有多硅烷醇基团的MWCNTs分散体显示出良好的相容性。PCMs复合材料内部形成的交联Si-O-Si网络赋予涂层超稳定性和固-固相变行为。材料的最大相变焓达到142.8 J g-1,大约是原始PEG的90%,优于大多数报道的材料。用多壁碳纳米管掺杂稍微降低了焓,而机械强度和升温速率都大大提高。该涂料特别适用于制作调温服。水洗3次后蓄热性能无明显衰退,穿着舒适度可通过涂层工艺轻松控制。

文章来源:高分子科学前沿         责任编辑:雷达

分享本页
返回顶部