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  合適的溫度對(duì)于人體的正常新陳代謝是不可或缺的。在沒(méi)有其他防護(hù)措施的情況下，若人體長(zhǎng)時(shí)間暴露于極端的寒冷環(huán)境中，將引發(fā)多種慢性疾病，甚至危及生命。人類(lèi)消耗了大量能源來(lái)調(diào)節(jié)周?chē)h(huán)境的溫度。地球上約三分之一的能源用于建筑，其中一半以上用于借助空調(diào)、暖爐等來(lái)維持舒適的環(huán)境溫度。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種高效、實(shí)用、便攜的個(gè)人熱管理材料。在眾多個(gè)人熱管理材料中，柔性導(dǎo)電高分子材料因其可穿戴性、適應(yīng)性、輕質(zhì)性，以及能夠通過(guò)焦耳加熱在低電壓下實(shí)現(xiàn)高效加熱的能力而備受關(guān)注，并且部分的導(dǎo)電材料具有光熱性能。然而，由電能或光能產(chǎn)生的熱量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)引起顯著升溫，而一旦去除電源或光源，則會(huì)導(dǎo)致溫度的驟降。這種劇烈的溫度波動(dòng)會(huì)引起人體明顯的不適感。因此，有必要在高溫時(shí)儲(chǔ)存熱能，并在低溫時(shí)釋放，以維持合適的溫度范圍。相變材料能夠在相變過(guò)程中吸收和釋放大量潛熱，從而減少溫度波動(dòng)，有望解決熱能在時(shí)間和空間上的不匹配問(wèn)題。因此，將相變材料引入柔性導(dǎo)電高分子材料中，是實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性和舒適性的關(guān)鍵。然而，相變材料在液態(tài)時(shí)易發(fā)生泄漏，在固態(tài)時(shí)又較為剛性，這極大地限制了其在柔性器件中的廣泛應(yīng)用。因此，如何構(gòu)建兼具高熱能儲(chǔ)釋能力、柔性、電導(dǎo)性、焦耳加熱和光熱轉(zhuǎn)換效率的多功能熱管理器件，仍是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

  華南師范大學(xué)周?chē)?guó)富教授團(tuán)隊(duì)張振課題組制備了一種具有多功能的柔性相變復(fù)合材料（DBT），有高潛熱、光熱與焦耳熱性能等多種性能。DBT薄膜通過(guò)將CNC/MF/PPy殼層的二十二烷（C₂₂）微膠囊（C₂₂-CMP，D）與聚吡咯包覆的細(xì)菌纖維素（BC/PPy，B）共同摻雜于熱塑性聚氨酯（TPU，T）彈性體中，以溶液鑄造的方式進(jìn)行制備。制備所得的DBT薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，包括高潛熱（64.3 kJ/kg）、熱穩(wěn)定性、光熱轉(zhuǎn)換能力（在1.0 W/cm2的近紅外光與氙燈照射下分別達(dá)到88.2 和80 °C）、電導(dǎo)率（9.26 S/m）、焦耳熱性能（在 5 V 電壓下升溫至48.1 °C）以及楊氏模量（12.9 MPa）。因此，DBT薄膜是一種非常有前景的柔性個(gè)人熱管理材料。此外，得益于其光熱轉(zhuǎn)換能力、柔性、電導(dǎo)性和力學(xué)性能，DBT 薄膜還在太陽(yáng)能熱電發(fā)電和運(yùn)動(dòng)傳感等應(yīng)用中展現(xiàn)出良好潛力。

  該成果以“A versatile flexible film containing phase change microcapsules and polypyrrole/bacterial cellulose with high enthalpy, photothermal and Joule heating for personal thermal management”發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》（中科院一區(qū)，JCR一區(qū)，IF 13.4）上，該論文的第一作者為華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院2024屆碩士畢業(yè)生魏強(qiáng)。本研究得到了浙江科技大學(xué)張學(xué)金、王立軍、洛陽(yáng)理工李雪、陳建軍等老師的指導(dǎo)和大力幫助！

圖1（A）C₂₂-CMP微膠囊、BC/PPy及多功能柔性DBT薄膜的制備示意圖；（B）DBT薄膜在熱能儲(chǔ)存、光熱轉(zhuǎn)換、焦耳加熱和運(yùn)動(dòng)傳感等方面的應(yīng)用。

圖2（A）C₂₂-CM微膠囊；（B）C₂₂-CMP微膠囊；（C）PPy納米顆粒；（D）BC納米纖維；（E）BC/PPy納米纖維和（F）DBT-334薄膜截面的SEM圖像。

圖3（A, B）C₂₂、C₂₂微膠囊及DBT薄膜的DSC曲線；（C）C₂₂、C₂₂微膠囊及DBT薄膜的相變溫度；（D）C₂₂、C₂₂微膠囊及DBT薄膜的潛熱值；（E）DBT薄膜相對(duì)于 C₂₂-CMP 微膠囊的焓值比以及DBT薄膜中C₂₂-CMP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比；（F）TGA曲線；（G）C₂₂-CM微膠囊、（H）C₂₂-CMP微膠囊和（I）DBT-334薄膜在第一次和第100次加熱-冷卻循環(huán)下的DSC曲線；（J）C₂₂-CM微膠囊、（K）C₂₂-CMP微膠囊和（L）DBT-33薄膜在經(jīng)歷100次連續(xù)加熱-冷卻循環(huán)前后的焓值及其保持率（Rc）。

圖4（A）DBT-334在不同強(qiáng)度808 nm近紅外（NIR）激光照射下的溫度變化；（B）DBT-334薄膜在不同NIR強(qiáng)度下的飽和溫度；（C）DBT-334在1.6 W/cm2 輻照下連續(xù)15次加熱/冷卻循環(huán)中的溫度變化曲線；（D）DBT-334在第5、10 和15次加熱/冷卻循環(huán)中的溫度-時(shí)間曲線；（E）DBT-334薄膜表面在1.6 W/cm2 NIR長(zhǎng)時(shí)間照射下的溫度-時(shí)間變化曲線；（F）DBT-334在氙燈（1.0 W/cm2）照射下加熱、在環(huán)境條件下冷卻的10次光熱循環(huán)曲線；（G）DBT-334薄膜在氙燈1.0 W/cm2 光照強(qiáng)度下的光熱轉(zhuǎn)換曲線；（H）STEG系統(tǒng)的實(shí)物圖；（I）STEG的工作機(jī)制示意圖；（J）將DBT-334薄膜貼附在人體模型膝蓋部位，在0.4 W/cm2 NIR 照射下持續(xù)10秒后的實(shí)物照片與紅外熱成像圖。

圖5（A）DBT復(fù)合材料的電導(dǎo)率；（B）以藍(lán)色LED燈作為導(dǎo)電指示器演示DBT-334導(dǎo)電性能的實(shí)物圖；（C）DBT-334復(fù)合薄膜在不同施加電壓下的時(shí)間-溫度曲線；（D）DBT薄膜加熱過(guò)程中最高溫度與電壓平方（U2）之間的關(guān)系曲線；（E）DBT-334在不同電壓下的電流變化；（F）在7 V下的電-熱循環(huán)測(cè)試曲線；（G）DBT薄膜在7 V電壓下長(zhǎng)時(shí)間通電過(guò)程中的表面溫度變化；（H）步進(jìn)電壓切換過(guò)程中溫度的變化曲線；（I）DBT薄膜在5 V 輸入電壓下貼附于手部的實(shí)際加熱應(yīng)用示意圖。

圖6 DBT-334的動(dòng)作傳感檢測(cè)功能。（A）DBT-334薄膜在不同壓力下的靈敏度；DBT-334在監(jiān)測(cè)（B）手指、（C）手腕、（D）手肘和（E）膝蓋彎曲過(guò)程中的電阻變化。

圖7（A）DBT-334薄膜的彎折、折疊、卷繞、扭轉(zhuǎn)和拉伸測(cè)試；（B）DBT薄膜樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（C）DBT薄膜的楊氏模量和極限強(qiáng)度；（D）C₂₂、C₂₂-CM、C₂₂-CMP和DBT-334在70 ℃條件下加熱不同時(shí)間后的實(shí)物照片；（E）DBT-334在70 ℃烘烤3小時(shí)前后的實(shí)物照片。

  本研究設(shè)計(jì)了一種具有高潛熱、光熱轉(zhuǎn)換和焦耳熱性能的多功能柔性相變薄膜（DBT）。該多功能薄膜通過(guò)簡(jiǎn)便的溶液鑄膜法，將C₂₂-CMP微膠囊與BC/PPy納米纖維引入TPU基體中構(gòu)建而成。C₂₂-CMP微膠囊是通過(guò)在CNC穩(wěn)定的C₂₂ Pickering乳液液滴表面原位生成MF和PPy殼層制備而成。CMP材料構(gòu)成的雜化殼層不僅有效防止了C₂₂的泄漏，還賦予了微膠囊優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。PPy通過(guò)氧化聚合反應(yīng)包覆于BC表面，所獲得的BC/PPy納米纖維因其高長(zhǎng)徑比與良好導(dǎo)電性，被用作TPU的導(dǎo)電性納米填料。在DBT薄膜中，C₂₂-CMP微膠囊與BC/PPy納米纖維均勻分散并嵌入TPU基體。所得的DBT-334薄膜具有優(yōu)異的綜合性能，可用于個(gè)人熱管理、太陽(yáng)能熱電發(fā)電和人體動(dòng)作監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

  原文鏈接：

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725028621

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162036

  https://authors.elsevier.com/a/1krnw4x7R2o0iD