阻燃芳綸納米纖維氣凝膠-低共熔相變?nèi)軇┲骺腕w復(fù)合薄膜研究獲進(jìn)展

隨著電子產(chǎn)品小型化、集成化和高功率化，如何控制電子產(chǎn)品所生的熱量已成為備受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。相變材料具有相變潛熱高、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)，在熱能儲(chǔ)存和熱管理領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。然而，如何制備出能在低溫環(huán)境下工作的阻燃相變薄膜仍面臨挑戰(zhàn)。為此，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同團(tuán)隊(duì)與海南大學(xué)教授廖建和團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)溶解芳綸獲得芳綸納米纖維（ANF），再經(jīng)刮涂、溶膠-凝膠、多巴胺原位聚合等過(guò)程得到阻燃性能優(yōu)異的聚多巴胺/芳綸納米纖維（PANF）氣凝膠薄膜；以此氣凝膠薄膜為多孔主體負(fù)載低共熔（DES）相變客體，制備出具有阻燃和低溫?zé)峁芾砉δ艿腜ANF-DES主-客體相變薄膜，制備流程如圖1所示。

PANF薄膜可以通過(guò)改變工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)厚度、密度、形狀的調(diào)控以及大尺寸連續(xù)制備，并且具備可彎曲、折疊等特征，有良好的力學(xué)柔性。多巴胺的原位聚合不改變芳綸氣凝膠薄膜的高比表面積，還可使其在酒精燈火焰上縮短自熄時(shí)間并基本保持基體完整性，為后續(xù)主客體復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)支撐奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

該研究將三元低共熔相變材料填充到PANF氣凝膠薄膜中，得到的PANF-DES主客體薄膜相變溫度為-21℃、相變焓高達(dá)225J/g，且具有優(yōu)異的阻燃性，其熱釋放量和氣體釋放量均比商業(yè)阻燃相變薄膜低一個(gè)數(shù)量級(jí)，以垂直、彎曲、平行狀態(tài)接觸酒精燈火焰均無(wú)明火，只有部分碳化，以放熱少、火焰?zhèn)鞑ツ芰π〉膬?yōu)良阻燃性能保證了實(shí)際應(yīng)用的安全性。此外，研究者通過(guò)搭建簡(jiǎn)易裝置，探索了PANF-DES主客體薄膜在低溫電子器件上的熱管理性能。PANF-DES主客體薄膜可通過(guò)熔化或結(jié)晶過(guò)程吸收或釋放大量熱能，減緩升溫或降溫速率；在循環(huán)升降溫過(guò)程中，PANF-DES主客體薄膜可削減溫度波動(dòng)，維持電子器件溫度相對(duì)穩(wěn)定。因此，此PANF-DES主客體薄膜可應(yīng)用于低溫環(huán)境下電子元器件的溫度管理。

相關(guān)研究成果以Flame-Retardant Host–Guest Films for Efficient Thermal Management of Cryogenic Devices為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)-牛頓高級(jí)學(xué)者基金的資助。

圖1. PANF-DES主客體復(fù)合薄膜的制備及阻燃和熱管理功能示意圖

圖2. PANF氣凝膠薄膜：（a-b）光學(xué)照片；（c）不同濃度多巴胺溶液對(duì)芳綸氣凝膠薄膜增重率的影響；（d）ANF；（e）聚多巴胺；（f）PANF的微觀形貌。

圖3. PANF-DES主客體復(fù)合薄膜的相變行為和阻燃性能

圖4. PANF-DES主客體復(fù)合薄膜的熱管理性能