四川大學石玲英：形狀穩定的水合鹽/聚丙烯酰胺相變有機水凝膠，可實現智能溫度管理

非金非土非木

2021年5月6日 14:50

【科研摘要】

具有適當相變溫度的柔性環保型相變材料（ PCM）在調節環境溫度方面顯示出巨大潛力。最近，四川大學石玲英副教授團隊通過簡便的光引發單步原位聚合過程合成了一系列室溫下使用的相變有機水凝膠（PCOH），其中包括相變水合鹽（磷酸十二水二鈉，DPDH）和聚丙烯酰胺（PAM）甘油水凝膠。在PAM有機水凝膠的抗干燥三維（3D）網絡中加入環保，經濟高效的DPDH水合鹽PCM，可以克服固體剛度和熔體滲漏，從而為可穿戴溫度管理設備提供靈活性。

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通過掃描電子顯微鏡（SEM），傅立葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線衍射（XRD）表征了PCOHs組分之間的微觀結構和物理相互作用，這表明 DPDH被均勻地加載到PAM的網絡中。通過差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA）對PCOH的相變存儲和熱性能進行了表征，并且PCOH在長期存儲和熱循環過程中顯示出高的能量轉換效率和形狀穩定性。動態流變和壓縮測試表明，即使在DPDH的熔融溫度以上，PCOH仍可承受一定的應力并顯示出柔韌性。團隊還描述了智能溫度管理功能和PCOH的潛在應用。這項研究提供了一種方便的方法來構建對皮膚友好的柔性相變甘油水凝膠，并為制備相變儲能復合材料的傳統熔體浸漬或微囊化方法提供了一種替代方法。相關論文以題為 Shape-Stable Hydrated Salts/Polyacrylamide Phase-Change Organohydrogels for Smart Temperature Management 發表在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》上。

【主圖導讀】

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圖 1. PAM/DPDH PCOH的制備過程和相變機理。（a）將原料的均質溶液在50℃下溶解，然后在365nm的UV照射下通過光引發的聚合而凝膠化。（b）處于結晶狀態的PAM / DPDH PCOH。（c）熔融態的PAM/DPDH PCOH。（d）制備的PCOH的照片，并在相對濕度為61％的22°C的空氣中存儲2天和14天后的照片。

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圖 2. 冷凍干燥的（a）PAM水凝膠和（b）PAM/DPDH PCOHs的SEM圖像。（c，d）PAM/DPDH PCOH中Na和P映射的EDX分析。（e）放大的SEM圖像，觀察PAM / DPDH PCOHs孔中的填充材料。

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圖 3. （a）DPDH，PAM水凝膠和PAM/DPDH PCOH的FTIR光譜。（b）DPDH，PAM水凝膠和PAM/DPDH PCOH的XRD圖譜。

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圖 4. DPDH，PAM水凝膠和PAM/DPDH PCOH的熱性質。（a）加熱和冷卻速率為5°C min ^-1 的DPDH，PAM水凝膠和PAM/DPDH PCOH的DSC測量的加熱和（b）冷卻曲線。（c）DPDH，PAM水凝膠和PAM/DPDH PCOH的TGA和（d）差示熱重（DTG）曲線。

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圖 5. PAM/DPDH PCOH的熱循環穩定性。（a）0、100和300次熱循環后，PAM/DPDH PCOH的DSC加熱曲線和（b）冷卻曲線。（c）未加載的原始PAM/DPDH PCOH和（d）原始PCOH的照片，（e）100個熱循環后的PCOH，和（f）300個熱循環后的負載100 g重量的照片。

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圖 6. PCOH的機械性能。（a）壓縮試驗的應力-應變曲線（插圖：PCOH樣品的照片）。PAM水凝膠和PAM/DPDH PCOH在（b）25°C和（c）40°C下的流變曲線。

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圖 7.智能溫度管理和防漏性能。空氣，PAM水凝膠和PAM/DPDH PCOH在（a）水浴加熱和（b）冰水浴冷卻過程中的溫度變化曲線（插圖：測量設備的數碼照片和曲線的放大部分）。（c）加熱過程中PAM/DPDH PCOH的紅外熱圖像和相應的數字照片。（d）在加熱和冷卻過程中熱變色PCOH和PAM水凝膠樣品的變色圖像。

【總結】

團隊已經成功地制備了 PAM/DPDH相變有機水凝膠。通過物理摻入，PAM有機水凝膠網絡被證明是用于DPDH PCM形狀穩定的有前途的基質，可實現固-液相變化而沒有泄漏和相分離。已經證明，從熔融水合鹽，DPDH和單體的混合溶液中進行一步原位聚合是一種制備相變軟材料的簡便方法。制備的PCOH具有抗干燥，柔韌性，形狀穩定性和熱循環穩定性的優點，并且具有相變溫度管理的誘人潛力。通過顯微組織觀察，熱分析和機械測試證明了即使在高溫或一定應力下的長期儲存和循環穩定性的機理。測試了PCOH的智能控溫性能，該PCOH可用于緩解系統過熱并保持恒定溫度。無毒保濕室溫使用相變儲能有機水凝膠可滿足調節溫度至人類舒適的需求，例如將其擴展到智能“冷卻凝膠貼片”中。除了相變儲能之外，一系列多功能可穿戴設備可能會受到相變有機水凝膠的啟發。