阻燃芳綸納米纖維氣凝膠-低共熔相變?nèi)軇┲骺腕w復(fù)合薄膜研究獲進(jìn)展
隨著電子產(chǎn)品小型化、集成化和高功率化,如何控制電子產(chǎn)品所生的熱量已成為備受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。相變材料具有相變潛熱高、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn),在熱能儲(chǔ)存和熱管理領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。然而,如何制備出能在低溫環(huán)境下工作的阻燃相變薄膜仍面臨挑戰(zhàn)。為此,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同團(tuán)隊(duì)與海南大學(xué)教授廖建和團(tuán)隊(duì)合作,通過(guò)溶解芳綸獲得芳綸納米纖維(ANF),再經(jīng)刮涂、溶膠-凝膠、多巴胺原位聚合等過(guò)程得到阻燃性能優(yōu)異的聚多巴胺/芳綸納米纖維(PANF)氣凝膠薄膜;以此氣凝膠薄膜為多孔主體負(fù)載低共熔(DES)相變客體,制備出具有阻燃和低溫?zé)峁芾砉δ艿腜ANF-DES主-客體相變薄膜,制備流程如圖1所示。
PANF薄膜可以通過(guò)改變工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)厚度、密度、形狀的調(diào)控以及大尺寸連續(xù)制備,并且具備可彎曲、折疊等特征,有良好的力學(xué)柔性。多巴胺的原位聚合不改變芳綸氣凝膠薄膜的高比表面積,還可使其在酒精燈火焰上縮短自熄時(shí)間并基本保持基體完整性,為后續(xù)主客體復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)支撐奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。
該研究將三元低共熔相變材料填充到PANF氣凝膠薄膜中,得到的PANF-DES主客體薄膜相變溫度為-21℃、相變焓高達(dá)225J/g,且具有優(yōu)異的阻燃性,其熱釋放量和氣體釋放量均比商業(yè)阻燃相變薄膜低一個(gè)數(shù)量級(jí),以垂直、彎曲、平行狀態(tài)接觸酒精燈火焰均無(wú)明火,只有部分碳化,以放熱少、火焰?zhèn)鞑ツ芰π〉膬?yōu)良阻燃性能保證了實(shí)際應(yīng)用的安全性。此外,研究者通過(guò)搭建簡(jiǎn)易裝置,探索了PANF-DES主客體薄膜在低溫電子器件上的熱管理性能。PANF-DES主客體薄膜可通過(guò)熔化或結(jié)晶過(guò)程吸收或釋放大量熱能,減緩升溫或降溫速率;在循環(huán)升降溫過(guò)程中,PANF-DES主客體薄膜可削減溫度波動(dòng),維持電子器件溫度相對(duì)穩(wěn)定。因此,此PANF-DES主客體薄膜可應(yīng)用于低溫環(huán)境下電子元器件的溫度管理。
相關(guān)研究成果以Flame-Retardant Host–Guest Films for Efficient Thermal Management of Cryogenic Devices為題,發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)-牛頓高級(jí)學(xué)者基金的資助。
圖1. PANF-DES主客體復(fù)合薄膜的制備及阻燃和熱管理功能示意圖
圖2. PANF氣凝膠薄膜:(a-b)光學(xué)照片;(c)不同濃度多巴胺溶液對(duì)芳綸氣凝膠薄膜增重率的影響;(d)ANF;(e)聚多巴胺;(f)PANF的微觀形貌。
圖3. PANF-DES主客體復(fù)合薄膜的相變行為和阻燃性能
圖4. PANF-DES主客體復(fù)合薄膜的熱管理性能
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