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浙江大學(xué)趙騫教授團(tuán)隊(duì) Matter：靜電噴涂制備多孔水凝膠涂層用于高效、可持續(xù)的蒸發(fā)冷卻
2024-09-24  來(lái)源：高分子科技

  液體噴霧冷卻廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備的熱管理。直接噴水雖然簡(jiǎn)單，但不可避免地導(dǎo)致大量水浪費(fèi)。用水凝膠涂層保水可以減少水的消耗，但現(xiàn)有的非多孔涂層由于水再吸收緩慢而存在局限性。浙江大學(xué)化工學(xué)院的趙騫教授團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種噴涂方法，可以原位快速形成多孔水凝膠涂層，可快速吸收并固定用于蒸發(fā)降溫的水，從而提高熱管理效率。相關(guān)成果“Sprayable porous hydrogel coating for efficient and sustainable evaporative cooling”2024年9月23日發(fā)表在Matter上。論文通訊作者為倪楚君研究員與趙騫教授，第一作者為博士生李燁。


  電子設(shè)備過(guò)熱后效率顯著降低，壽命縮短，甚至永久性損壞。工業(yè)界采用包括輻射制冷、熱管冷卻和液體噴霧冷卻在內(nèi)的多種冷卻方法。其中，液體噴霧冷卻因其高熱傳遞通量、靈活的溫度控制、以及操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)被廣泛用于工業(yè)設(shè)備降溫。水作為冷卻液具有低成本、無(wú)污染和高蒸發(fā)焓等優(yōu)勢(shì)。然而，直接噴灑水在開(kāi)放系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致大量消耗，重新收集冷卻水在經(jīng)濟(jì)上往往不切實(shí)際。因此，平衡有效熱管理與資源節(jié)約的可持續(xù)解決方案至關(guān)重要。


  水凝膠是能夠儲(chǔ)存大量水，水分蒸發(fā)后續(xù)吸水再生以重復(fù)降溫工作。但普通無(wú)孔水凝膠吸水再生較慢，通常需數(shù)小時(shí)。多孔水凝膠可顯著提高吸水再生速度，但現(xiàn)有凍干、發(fā)泡、犧牲模板等多孔水凝膠制備方法難以與現(xiàn)有的水凝膠涂裝技術(shù)（如表面橋接、表面聚合、浸涂和噴涂等）匹配，如何在不規(guī)則設(shè)備表面原位大面積涂裝多孔水凝膠存在挑戰(zhàn)。


  針對(duì)這一挑戰(zhàn)，該研究發(fā)明一種行之有效的方法。該方法首先噴涂聚乙烯醇（PVA）和單寧酸（TA）混合粉末，隨后噴涂戊二醛（GA）水溶液。PVA和TA的水溶解導(dǎo)致氫鍵網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)形成，固定初始顆粒間的孔隙。PVA與GA之間的后續(xù)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)不僅永久穩(wěn)定了孔隙，還增強(qiáng)了涂層的機(jī)械性能（圖1與圖2）。研究對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行了探討。當(dāng)TA含量不足時(shí)，初始顆粒間的孔隙難以固定，PVA完全溶解后才發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，難以有效形成多孔結(jié)構(gòu)。而當(dāng)GA濃度低時(shí)，后交聯(lián)不完全，動(dòng)態(tài)的PVA/TA氫鍵網(wǎng)絡(luò)受水分子擴(kuò)散的影響，將逐漸由多孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)孔結(jié)構(gòu)。由此證明，這種兩步交聯(lián)與顆粒溶解的動(dòng)力學(xué)調(diào)控是形成孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵（圖3）。


圖1：多孔水凝膠的合成過(guò)程及機(jī)理


圖2：多孔水凝膠的力學(xué)性能


圖3：多孔水凝膠的孔結(jié)構(gòu)


  之后，研究利用靜電噴涂方法實(shí)現(xiàn)了多孔水凝膠涂層的大面積制備。涂層的厚度可由電壓與氣流速度等條件進(jìn)行控制。多孔涂層具有機(jī)械穩(wěn)定性與較強(qiáng)的附著力，可穩(wěn)定涂裝在木材、金屬、玻璃、塑料等不同材料表面，且任意復(fù)雜形狀的表面均能被均勻涂裝（圖4）。研究進(jìn)一步在太陽(yáng)能發(fā)電板等功率電子器件上形成多孔水凝膠涂層。這種涂層可快速且可重復(fù)的吸收噴淋水，并長(zhǎng)效保持，從而利用更少的冷卻水實(shí)現(xiàn)更高效并持久的降溫效果以提高電子設(shè)備的工作效率（圖5）。


圖4：粉末噴涂過(guò)程和涂層粘附性


圖5：多孔水凝膠涂層的降溫效果


  這種簡(jiǎn)單高效的方法多孔涂層制備原理可以擴(kuò)展至其他聚合物體系，以提高其他冷卻介質(zhì)的使用效率。除熱管理之外，這種獨(dú)特的水凝膠涂裝方法有望在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、以及生物醫(yī)學(xué)等與水相關(guān)的場(chǎng)景中得以利用。


  原文鏈接：https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(24)00448-X

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（責(zé)任編輯：xu）
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