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西南科大楊文彬教授團(tuán)隊(duì) ACS AMI：具有γ射線屏蔽與熱調(diào)節(jié)功能的柔性相變復(fù)合材料
2023-01-30  來源：高分子科技

  隨著核能在軍事、醫(yī)療、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，人類接觸電離輻射頻率增加，為了保證工作人員的健康及核能有效利用，輻射防護(hù)材料被廣泛應(yīng)用。但目前的輻射防護(hù)制品普遍存在溫度調(diào)節(jié)能力弱的缺點(diǎn)，無法很好滿足極端環(huán)境下的工作需求。



  前期工作中，西南科技大學(xué)環(huán)境友好能源材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊文彬教授團(tuán)隊(duì)以石蠟作為相變芯材，鎢酸鉛為殼體，制備具有γ射線屏蔽功能的石蠟@鎢酸鉛（Pn@PWO）相變微膠囊（Journal of Energy Storage 2022, 50: 104245.）。實(shí)際應(yīng)用中，相變材料應(yīng)具有一定程度的形變能力，而微膠囊是無法直接滿足柔韌性要求的，需要將相變微膠囊填充到聚合物基體，制備柔性相變復(fù)合材料。Pn@PWO相變微膠囊在反復(fù)相變過程中石蠟易泄露，影響其熱能存儲(chǔ)性能及力學(xué)性能；其強(qiáng)疏水性，也限制了在聚乙烯醇、水性聚氨酯等水性體系的應(yīng)用。


  為了解決上述問題，楊文彬教授團(tuán)隊(duì)通過乳液模板及界面縮聚法在Pn@PWO相變微膠囊表面構(gòu)筑二氧化硅層（SiO2），并將改性后的微膠囊填充到水性聚氨酯中，制備柔性相變復(fù)合材料（圖1）。通過鎢酸鉛外殼和二氧化硅層的雙殼層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了微膠囊的防漏性能及熱循環(huán)穩(wěn)定性，同時(shí)富含極性基團(tuán)的SiO2層引入，改善微膠囊的潤濕性（圖2）。微膠囊良好的潤濕性及氫鍵網(wǎng)絡(luò)的形成，改善微膠囊與聚氨酯基體的界面相容性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。WPU/Pn@PWO@SiO2相變復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到10.98MPa，是WPU/Pn@PWO相變復(fù)合材料的7倍以上（圖3）。此外，相變復(fù)合材料也表現(xiàn)出超過41 J/g的潛熱容量，良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性、熱調(diào)節(jié)性能以及γ射線屏蔽性能。在105.3 keV和86.5 keV時(shí)，質(zhì)量衰減系數(shù)分別為1.38 cm2/g和1.12 cm2/g（圖4、5）。這些性能將極大地促進(jìn)相變復(fù)合材料在具有熱調(diào)節(jié)功能的γ射線屏蔽裝置中的應(yīng)用，例如涉核工作者的防寒服、具有保溫功能的防輻射建筑板材。同時(shí)，也為開發(fā)高性能和多功能相變復(fù)合材料的應(yīng)用提供了新思路。該工作以“Flexible and Mechanically Enhanced Polyurethane Composite for γ-ray Shielding and Thermal Regulation”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章第一作者是西南科技大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院博士研究生蔡天瑜，通訊作者為西南科技大學(xué)環(huán)境友好能源材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊文彬教授，該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。 


圖1. 雙殼層Pn@PWO@SiO2相變微膠囊及其柔性相變復(fù)合材料的制備示意圖 


圖2. Pn@PWO@SiO2相變微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)、熱循環(huán)穩(wěn)定性及潤濕性表征 


圖3 相變復(fù)合材料的力學(xué)性能及界面增強(qiáng)機(jī)制 


圖4 相變復(fù)合材料的熱性能參數(shù)及熱穩(wěn)定性 


圖5. 相變復(fù)合材料的γ射線屏蔽性能及熱調(diào)節(jié)性能表征


  近年來，楊文彬教授團(tuán)隊(duì)在相變復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與調(diào)控研究方面，取得了一系列研究進(jìn)展，主要包括相變微膠囊的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑（Applied Energy, 2017, 197: 354-363; ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 6: 5182-5191；ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7: 18854-18862；ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13: 39394-39403.），導(dǎo)熱相變復(fù)合材料的調(diào)控與構(gòu)建（Journal of Energy Storage, 2022, 55: 105428; Polymer, 2020, 204: 122824；Solar Energy Materials and Solar Cells, 2019, 200: 109957）以及相變復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)機(jī)制數(shù)值模擬（Applied Thermal Engineering, 2021, 190: 116800；Journal of Energy Storage, 2021, 44: 103431；Applied Thermal Engineering, 2020, 178: 115633；Applied Thermal Engineering, 2020, 169: 114896.）。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c18252

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（責(zé)任編輯：xu）
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