专栏名称: 高分子科技

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华南师范大学张振 CEJ：一种具有高潜热、光热、导电与焦耳热多功能的相变柔性膜及其在热管理上的应用

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-04-01 11:49

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合适的温度对于人体的正常新陈代谢是不可或缺的。在没有其他防护措施的情况下，若人体长时间暴露于极端的寒冷环境中，将引发多种慢性疾病，甚至危及生命。人类消耗了大量能源来调节周围环境的温度。地球上约三分之一的能源用于建筑，其中一半以上用于借助空调、暖炉等来维持舒适的环境温度。因此，亟需开发一种高效、实用、便携的个人热管理材料。在众多个人热管理材料中，柔性导电高分子材料因其可穿戴性、适应性、轻质性，以及能够通过焦耳加热在低电压下实现高效加热的能力而备受关注，并且部分的导电材料具有光热性能。然而，由电能或光能产生的热量会在短时间内引起显著升温，而一旦去除电源或光源，则会导致温度的骤降。这种剧烈的温度波动会引起人体明显的不适感。因此，有必要在高温时储存热能，并在低温时释放，以维持合适的温度范围。相变材料能够在相变过程中吸收和释放大量潜热，从而减少温度波动，有望解决热能在时间和空间上的不匹配问题。因此，将相变材料引入柔性导电高分子材料中，是实现温度稳定性和舒适性的关键。然而，相变材料在液态时易发生泄漏，在固态时又较为刚性，这极大地限制了其在柔性器件中的广泛应用。因此，如何构建兼具高热能储释能力、柔性、电导性、焦耳加热和光热转换效率的多功能热管理器件，仍是一项巨大的挑战。

华南师范大学周国富教授团队张振课题组 制备了一种具有多功能的柔性相变复合材料（ DBT ），有高潜热、光热与焦耳热性能等多种性能。 DBT 薄膜通过将 CNC/MF/ PPy 壳层的二十二烷（ C ₂₂ ）微胶囊（ C ₂₂ -CMP ， D ）与聚吡咯包覆的细菌纤维素（ BC/PPy ， B ）共同掺杂于热塑性聚氨酯（ TPU ， T ）弹性体中，以溶液铸造的方式进行制备。制备所得的 DBT 薄膜表现出优异的性能，包括高潜热（ 64.3 kJ/kg ）、热稳定性、光热转换能力（在 1.0 W/cm² 的近红外光与氙灯照射下分别达到 88.2 和 80 °C ）、电导率（ 9.26 S/m ）、焦耳热性能（在 5 V 电压下升温至 48.1 °C ）以及杨氏模量（ 12.9 MPa ）。因此， DBT 薄膜是一种非常有前景的柔性个人热管理材料。此外，得益于其光热转换能力、柔性、电导性和力学性能， DBT 薄膜还在太阳能热电发电和运动传感等应用中展现出良好潜力。

该成果以 “ A versatile flexible film containing phase change microcapsules and polypyrrole/bacterial cellulose with high enthalpy, photothermal and Joule heating for personal thermal management ” 发表在《 Chemical Engineering Journal 》（中科院一区， JCR 一区， IF 13.4 ）上，该论文的第一作者为华南师范大学华南先进光电子研究院 2024 届硕士毕业生魏强。本研究得到了浙江科技大学张学金、王立军、洛阳理工李雪、陈建军等老师的指导和大力帮助！

图 1 （ A ） C ₂₂ -CMP 微胶囊、 BC/PPy 及多功能柔性 DBT 薄膜的制备示意图；（ B ） DBT 薄膜在热能储存、光热转换、焦耳加热和运动传感等方面的应用。

图 2 （ A ） C ₂₂ -CM 微胶囊；（ B ） C ₂₂ -CMP 微胶囊；（ C ） PPy 纳米颗粒；（ D ） BC 纳米纤维；（ E ） BC/PPy 纳米纤维和（ F ） DBT-334 薄膜截面的 SEM 图像。

图 3 （ A, B ） C ₂₂ 、 C ₂₂ 微胶囊及 DBT 薄膜的 DS C 曲线；（ C ） C ₂₂ 、 C ₂₂ 微胶囊及 DBT 薄膜的相变温度；（ D ） C ₂₂ 、 C ₂₂ 微胶囊及 DBT 薄膜的潜热值；（ E ） DBT 薄膜相对于 C ₂₂ -CMP 微胶囊的焓值比以及 DBT 薄膜中 C ₂₂ -CMP 的质量分数对比；（ F ） TGA 曲线；（ G ） C ₂₂ -CM 微胶囊、（ H ） C ₂₂ -CMP 微胶囊和（ I ） DBT-334 薄膜在第一次和第 100 次加热 - 冷却循环下的 DSC 曲线；（ J ） C ₂₂ -CM 微胶囊、（ K ） C ₂₂ -CMP 微胶囊和（ L ） DBT-33 薄膜在经历 100 次连续加热 - 冷却循环前后的焓值及其保持率（ Rc ）。

图 4 （ A ） DBT-334 在不同强度 808 nm 近红外（ NIR ）激光照射下的温度变化；（ B ） DBT-334 薄膜在不同 NIR 强度下的饱和温度；（ C ） DBT-334 在 1.6 W/cm² 辐照下连续 15 次加热 / 冷却循环中的温度变化曲线；（ D ） DBT-334 在第 5 、 10 和 15 次加热 / 冷却循环中的温度 - 时间曲线；（ E ） DBT-334 薄膜表面在 1.6 W/cm² NIR 长时间照射下的温度 - 时间变化曲线；（ F ） DBT-334 在氙灯（ 1.0 W/cm² ）照射下加热、在环境条件下冷却的 10 次光热循环曲线；（ G ） DBT -334 薄膜在氙灯 1.0 W/cm² 光照强度下的光热转换曲线；（ H ） STEG 系统的实物图；（ I ） STEG 的工作机制示意图；（ J ）将 DBT-334 薄膜贴附在人体模型膝盖部位，在 0.4 W/cm² NIR 照射下持续 10 秒后的实物照片与红外热成像图。

图 5 （ A ） DBT 复合材料的电导率；（ B ）以蓝色 LED 灯作为导电指示器演示 DBT-334 导电性能的实物图；（ C ） DBT-334 复合薄膜在不同施加电压下的时间 - 温度曲线；（ D ） DBT 薄膜加热过程中最高温度与电压平方（ U² ）之间的关系曲线；（ E ） DBT-334 在不同电压下的电流变化；（ F ）在 7 V 下的电 - 热循环测试曲线；（ G ） DBT 薄膜在 7 V 电压下长时间通电过程中的表面温度变化；（ H ）步进电压切换过程中温度的变化曲线；（ I ） DBT 薄膜在 5 V 输入电压下贴附于手部的实际加热应用示意图。

图 6 DBT-334 的动作传感检测功能。（ A ） DBT-334 薄膜在不同压力下的灵敏度； DBT-334 在监测（ B ）手指、（ C ）手腕、（ D ）手肘和（ E ）膝盖弯曲过程中的电阻变化。

图 7 （ A ） DBT-334 薄膜的弯折、折叠、卷绕、扭转和拉伸测试；（ B ） DBT 薄膜样品的拉伸应力 - 应变曲线；（ C ） DBT 薄膜的杨氏模量和极限强度；（ D ） C ₂₂ 、 C ₂₂ -CM 、 C ₂₂ -CMP 和 DBT-334 在 70 ℃ 条件下加热不同时间后的实物照片；（ E ） DBT-334 在 70 ℃ 烘烤 3 小时前后的实物照片。

本研究设计了一种具有高潜热、光热转换和焦耳热性能的多功能柔性相变薄膜（ DBT ）。该多功能薄膜通过简便的溶液铸膜法，将 C ₂₂ -CMP 微胶囊与 BC/PPy 纳米纤维引入 TPU 基体中构建而成。 C ₂₂ -CMP 微胶囊是通过在 CNC 稳定的 C ₂₂ Pickering 乳液液滴表面原位生成 MF 和 PPy 壳层制备而成。 CMP 材料构成的杂化壳层不仅有效防止了 C ₂₂ 的泄漏，还赋予了微胶囊优异的光热转换性能、热稳定性和导电性。 PPy 通过氧化聚合反应包覆于 BC 表面，所获得的 BC/PPy 纳米纤维因其高长径比与良好导电性，被用作 TPU 的导电性纳米填料。在 DBT 薄膜中， C ₂₂ -CMP 微胶囊与 BC/PPy 纳米纤维均匀分散并嵌入 TPU 基体。所得的 DBT-334 薄膜具有优异的综合性能，可用于个人热管理、太阳能热电发电和人体动作监测等领域。