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廣西大學(xué)徐傳輝教授《Adv. Mater.》：受神經(jīng)元啟發(fā)的用于環(huán)境能量收集和呼吸監(jiān)測(cè)的柔性相變復(fù)合材料
2024-10-24  來(lái)源：高分子科技

  體溫調(diào)節(jié)和生理監(jiān)測(cè)對(duì)人類健康至關(guān)重要。面對(duì)氣候變化和石化資源的日益短缺，開發(fā)一個(gè)與綠色能量收集、儲(chǔ)存、釋放和生理監(jiān)測(cè)功能相結(jié)合的柔性可穿戴熱管理平臺(tái)是非常有意義的。相變材料（PCM）在相變過(guò)程中吸收和釋放大量潛熱，有望用于熱能儲(chǔ)存（TES）。值得注意的是，PCM有利于解決近年來(lái)引起廣泛關(guān)注的能源利用的間歇性問(wèn)題。傳遞到PCM進(jìn)行充電的能量基本上是熱能。傳統(tǒng)的傳熱機(jī)制包括輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)。太陽(yáng)輻射能無(wú)處不在，容量巨大，易于獲取。帶有PCM的太陽(yáng)能-熱能儲(chǔ)存（STES）系統(tǒng)可以捕獲、轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存太陽(yáng)輻射能，并按需釋放儲(chǔ)存的能量。此外，人類日常生活中常見的熱能來(lái)源包括運(yùn)行中的機(jī)器、車輛尾氣和運(yùn)行中的電子設(shè)備。這種浪費(fèi)的熱量是可再生能源的重要來(lái)源，也可以通過(guò)熱傳導(dǎo)被PCM吸收。然而，傳統(tǒng)的固液相變材料仍然存在熱穩(wěn)定性差、易泄漏和機(jī)械性能差的問(wèn)題？纱┐鳠峁芾砥脚_(tái)存在著功能單一、力學(xué)性能差等問(wèn)題。另一方面，高效的能量轉(zhuǎn)換也是目前迫切需要解決的問(wèn)題。因此，開發(fā)具有高能量轉(zhuǎn)換效率、多種能量收集和健康監(jiān)測(cè)功能的柔性可穿戴熱管理平臺(tái)具有重大挑戰(zhàn)。


  近日，廣西大學(xué)徐傳輝教授課題組通過(guò)自組裝策略，利用阿拉伯膠（GA）同時(shí)實(shí)現(xiàn)了相變材料聚乙二醇（PEG）的封裝和羧基化多壁碳納米管（cMWCNT）在柔性聚乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）基質(zhì)中的靶向分布。所制備的EGP60-3具有14.88 MJ-3的出色韌性值和565.67%的高斷裂伸長(zhǎng)率。具有高熔融焓（71.11 J g-1）的柔性相變復(fù)合材料在808 nm激光照射（105 mW cm-2）下表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率（95.27%）。該成果以題為“Neuron-Inspired Flexible Phase Change Materials for Ambient Energy Harvesting and Respiration Monitoring” 發(fā)表在《Advanced Materials》上， 2024級(jí)博士研究生羅天文為第一作者，徐傳輝教授為通訊作者。


1.EGPX-Y的制備


  EGPX-Y是使用物理溶液混合和超聲波法在水溶液中制備的。首先，將GA溶解在PEG水溶液中，并基于氫鍵進(jìn)行自組裝。簡(jiǎn)而言之，GA和PEG用于形成PEG@GA微球。隨后，cMWCNT通過(guò)超聲波成功分散在溶液中。與此同時(shí)， PEG@GA/cMCNT通過(guò)超聲誘導(dǎo)過(guò)程直接形成。EVA作為一種柔性聚合物骨架，有助于在乳膠成膜過(guò)程中保持微球的原始結(jié)構(gòu)。在PEG@GA/cMWCNT中，cMWCNT分散在微球的周圍，直徑約為86 nm。有趣的是， EGP60-3內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)，微球周圍富集了大量的cMWCNT。這些微球的平均直徑約為5.59 μm。在乳膠膜形成過(guò)程中，EGPX-Y表面也觀察到了隨機(jī)形成的不規(guī)則的PEG@GA/cMWCNT微球，意味著微穹頂結(jié)構(gòu)的形成。


圖1 EGPX-Y的制備


2.力學(xué)性能


  當(dāng)VA含量超過(guò)30 wt% 時(shí)，無(wú)規(guī)共聚物EVA具有類似橡膠的特性，為EGPX-Y復(fù)合材料提供了柔性支撐。隨著cMWCNT含量從0 wt% 增加到3.5 wt%，EGPX-Y的拉伸強(qiáng)度從2.09±0.19增加到3.59±0.03 Mpa。其中，cMWCNT濃度為3 wt% 時(shí)的材料韌性最高（14.88±0.46 MJ m-3）。楊氏模量從3.82±0.47提高到6.63±0.6 Mpa。GA的引入不僅增強(qiáng)了cMWCNT與EVA之間的界面相容性，還促進(jìn)了微球分散在EVA基質(zhì)中，從而提高了材料的機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EGP60-3具有最佳的力學(xué)性能（應(yīng)變565.67%，拉伸強(qiáng)度3.53 MPa，楊氏模量5.81 MPa，韌性14.88 MJ m-3）。


圖2 EGPX-Y的力學(xué)性能


3.EGPX-Y的熱穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)換能力


  當(dāng)EGPX-Y加熱至44-50 °C表現(xiàn)出相變材料的吸熱行為。在冷卻過(guò)程中，隨著溫度逐漸降低并穩(wěn)定在約33 °C，表明PEG結(jié)晶釋放了儲(chǔ)存的潛熱。此外，在泄漏測(cè)試中評(píng)估了加熱溫度（70-120 °C）和時(shí)間（70 °C，30-60分鐘）對(duì)泄漏率的影響。EGP100-3的泄漏行為隨著加熱溫度的升高而變化，當(dāng)超過(guò)100 °C時(shí)才會(huì)劇烈變化。同樣，只有在加熱50分鐘（70 °C）時(shí)，泄漏率才會(huì)線性增加。EGP100-3表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和抗泄漏能力。


圖3 EGPX-Y的熱穩(wěn)定性


  通過(guò)使用808 nm激光評(píng)估EGPX-Y的光熱轉(zhuǎn)換能力。當(dāng)暴露在外界激光下時(shí)，材料表面的微穹頂結(jié)構(gòu)迅速反應(yīng)以捕獲光能。這些熱量一部分存儲(chǔ)在微球內(nèi)部，意味著內(nèi)部相變材料固液轉(zhuǎn)變，另一部分將通過(guò)cMWCNT的熱傳導(dǎo)傳遞到相鄰的微球。


圖4 EGPX-Y的光熱轉(zhuǎn)換能力


4.呼吸監(jiān)測(cè)應(yīng)用


  由EGPX-Y制備的傳感器可以準(zhǔn)確地識(shí)別人體呼吸頻率，包括正常、快速和慢速的呼吸狀態(tài)。在11% RH和92% RH之間的連續(xù)濕度變化下，柔性EGPX-Y的ΔR/R0值的變化在長(zhǎng)達(dá)8000秒的循環(huán)后保持穩(wěn)定，證實(shí)了EGP100-3的良好濕氣響應(yīng)性和出色的可重復(fù)性。柔性EGP100-3在四種變形狀態(tài)下（扁平、扭曲、彎曲和打結(jié)）能準(zhǔn)確地響應(yīng)水分的變化。長(zhǎng)達(dá)0.6小時(shí)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，志愿者依次從事工作、睡眠和閱讀等活動(dòng)，該復(fù)合材料可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、精確地監(jiān)測(cè)人體呼吸狀況。


圖5 EGPX-Y的呼吸監(jiān)測(cè)應(yīng)用


5.濕氣發(fā)電應(yīng)用


  此外，EGP100-3可以通過(guò)利用羥基和羧基來(lái)捕獲水分子，從而可被設(shè)計(jì)為濕氣發(fā)電機(jī)（MEG）。當(dāng)暴露在空氣環(huán)境中時(shí)，EGP100-3可以自發(fā)吸收水分。由于其表面上的快速水合和脫水行為，EGP100-3表現(xiàn)出超快的響應(yīng)和恢復(fù)速度，響應(yīng)時(shí)間為88.4 ms，恢復(fù)時(shí)間為265.9 ms。因此，當(dāng)人口腔呼出的水分靠近設(shè)備時(shí)，可以快速捕獲電壓信號(hào)。將該設(shè)備放置于口罩內(nèi)進(jìn)行呼吸監(jiān)測(cè)時(shí)，可以同時(shí)輸出電壓和電流信號(hào)，準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)不同的呼吸狀態(tài)。


圖6 EGPX-Y的濕氣發(fā)電應(yīng)用


  綜上所述，熱量和水分可以作為PCM中接收、存儲(chǔ)和傳輸?shù)?/span>“信息”。制備的材料本質(zhì)上表現(xiàn)出快速的熱/濕響應(yīng)能力。EGP60-3具有優(yōu)異的韌性（14.88 MJ m-3）和高斷裂伸長(zhǎng)率（565.67%）。此外，EGP100-3在808 nm激光照射（105 mW cm-2）下表現(xiàn)出令人滿意的熱管理能力（71.11 J g-1）、優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)換效率（95.27%）。由于PEG和GA的協(xié)同作用增強(qiáng)了其優(yōu)異的吸濕性，EGP100-3對(duì)水分子表現(xiàn)出超靈敏的反應(yīng)性。當(dāng)應(yīng)用于人類呼吸監(jiān)測(cè)時(shí)，柔性EGP100-3具有高靈敏度、出色的穩(wěn)定性和快速的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（50.4/50.5 ms）。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地探索了PCM在MEG中的應(yīng)用，提供了一種制造柔性復(fù)合PCM的策略，該策略在開發(fā)能源轉(zhuǎn)換和健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的下一代可穿戴設(shè)備方面具有巨大潛力。


  全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202411820

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（責(zé)任編輯：xu）
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