中科院大化所ESM：柔性相变材料膜，让你的冬天不再寒冷- 大数跨境

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中科院大化所ESM：柔性相变材料膜，让你的冬天不再寒冷

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2020-10-29

导读：该工作开发了一种具有固-固相变性能、自支撑性、可穿戴特性的本征柔性相变材料膜，该相变材料膜具有可调节的相变温度和相变焓，冷热循环性能稳定

文章信息

一种用于可穿戴热管理的本征柔性相变材料膜

First published: October 17, 2020

第一作者：寇艳1，孙克衍1

通讯作者：吴忠帅*，史全*

单位：中国科学院大连化学物理研究所

研究背景

相变材料在恒定的相变温度时可以吸收或释放大量潜热，因此广泛应用于热能存储、电子设备热管理、节能建筑等领域。然而，由于相变材料本身存在的固相刚性和液相泄漏问题，使其应用于可穿戴热管理设备仍然存在巨大的挑战。尽管许多工作通过将相变材料与不同的柔性载体复合得到柔性复合相变材料，但是具有本征柔性的相变材料膜的设计和制备仍未得到有效探索。

文章简介

近日，中国科学院大连化学物理研究所史全研究员课题组和吴忠帅研究员课题组合作在国际知名期刊Energy Storage Materials (影响因子：16.28) 上发表题为“An intrinsically flexible phase change film for wearable thermal managements”的研究工作。

该工作开发了一种具有固-固相变性能、自支撑性、可穿戴特性的本征柔性相变材料膜，该相变材料膜具有可调节的相变温度和相变焓，冷热循环性能稳定；同时，该材料可与作为热源的柔性石墨烯薄膜集成到可穿戴设备中，展现出稳定的温度控制性能以及优异的电热和光热能转换性能。

该文章共同第一作者为大连化物所的寇艳，孙克衍，吴忠帅研究员和史全研究员为本文共同通讯作者。

本文要点

要点一：相变材料膜的设计

作者以聚乙二醇为相变材料的功能单元，将三聚氰胺和甲苯二异氰酸酯通过化学聚合的方法嫁接到聚乙二醇分子上，得到具有本征柔性的聚合物相变材料膜。该结构中，聚乙二醇与三聚氰胺和甲苯二异氰酸酯通过化学键紧密结合，表现出固-固相变行为，同时可实现长期的循环稳定性。

图一：相变材料膜的分子式（a）以及实物图（b-e）

要点二：相变材料膜的热性能

作者通过选取不同分子量的聚乙二醇作为原料，可实现相变材料膜的相变温度和相变焓在（5℃ to 60℃）温区内可调；同时，经过1000个快速加热-冷却循环实验，相变材料膜的热性能改变仅为4.1%，表现出优异的循环稳定性；另外，相变材料膜的热分解温度为300℃，可以完全保证其在相变温度范围内安全正常使用。

图二：相变材料膜的相变性能和热稳定性

要点三：相变材料膜的热存储特性

作者将相变材料裁剪成“DICP”字母的薄片并置于加热板上通过红外成像观察其储热性能。结果表明，随着加热板的温度升高，相变材料膜的温度升高，但升温速率远低于加热板，表明更多的热能储存在其中；当加热板停止加热，二者温度均下降，而相变材料膜的温度高于加热板，表明储存的热量放出，使得温度下降减缓；造成相变材料膜的可逆相变的原因是由于聚乙二醇链有序的结晶相和无定形非晶态之间存在可逆相变。

图三.相变材料膜的储热性能和机理。

要点四：相变材料膜作为热管理器件的热能转化与储存性能

鉴于相变材料膜优异的柔韧性和储热性能，作者将其与柔性石墨烯作为电加热源和光吸收单元集成为一个尺寸为20mmX50mm的热管理器件。通过不同的加热电流，相变材料膜可以实现高效的电热转换；当电流为1.5A时，电-热转化效率可达94%。

同时，作者在不同温度下，使用一节2000mAh的电池作为电源对器件在25℃-50℃的温度范围内进行热管理，结果表明，当外界温度为-10℃时，该器件可在控制温度范围内连续工作6小时。

为了进一步展现相变材料膜的柔性和可穿戴特性，作者制备了大尺寸的热管理器件（210 mm ×20 mm）并缝制到实验服上，通过电热转化可实现优异的可穿戴热能储存和温度控制功能。此外，该热管理器件通过石墨烯的强吸光性，还能够实现光能到热能的转化和有效储存。

图四：相变材料膜用于热管理的光-热转换，电-热转换和温度控制表现。

结论

在本工作中，采用化学聚合策略设计了具备本征柔性的相变材料膜，并将其开发用于可穿戴的热管理器件。这种相变材料膜在大约5至60°C的范围内具有可调节的相变焓和温度，可在1000个循环内保持长期循环稳定性，并且具备优异的热稳定性和机械稳定性、本征柔韧性、自支撑性和形状适应性，以及优异的形状可裁剪性和可折叠性。

这种柔性相变材料薄膜可以容易集成到柔性石墨烯作为热源的可穿戴热管理器件中，在不同形状器件和温度下均表现出稳定的热管理性能。另外，由于石墨烯的优异的光收集能力和相变材料膜的透明性，可穿戴热管理器件还具有将太阳光转换成热能的能力。

相变材料作为热能存储与温度控制单元应用到热管理领域已经发展了数十年，然后传统的相变材料一直受限于其固相刚性和液相泄漏的困境，使其无法在一些复杂形状、特殊曲面等需要材料具备柔性的场景中应用。

本文作者开发的相变材料膜具有自支撑性、超柔韧性和形状适应性等特征，有望在可穿戴智能温控设备、柔性电池以及电子设备的热管理等方面具有重要的应用前景。更重要的是，相变材料膜中的聚乙二醇单元可与其他功能单元通过化学接枝等方法结合，例如荧光探针、有机半导体及光电探测器等，这可为开发下一代柔性多功能器件及设备提供更多可能。

文章链接

An intrinsically flexible phase change film for wearable thermal managements

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.10.014

通讯作者介绍

史全，博士，研究员，博士生导师，

中国科学院大连化学物理研究所热化学研究组（DNL1903）组长，辽宁省能源材料热化学重点实验室主任，大连化物所理化测试中心热学检测三组组长，中国化学会热力学与热分析专业委员会委员，中国计量测试学会热物性专业委员会委员。入选中科院专项人才、辽宁省百千万人才工程千层次人才、大连市科技杰出青年人才。主要从事量热技术与相变储能材料研究领域工作，在化学热力学、热化学、量热学及能源材料研究领域发表SCI论文120余篇，申请发明专利30余项，主持及参与多项国家级与省部级科研项目，荣获2009年辽宁省科学技术奖励一项。

课题组网页：http://www.quanshi.dicp.ac.cn/

吴忠帅，博士生导师

中科院大连化物所首席研究员、催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508）组长、博士生导师、中组部引进海外高层次人才、英国皇家化学会会士、2018和2019年科睿唯安全球高被引科学家。主要从事石墨烯和二维材料化学及微纳电化学能源创新系统研究，包括柔性化微型储能器件、超级电容器、高比能锂电池（锂离子/锂硫/固态电池）、钠/钾/铝电池及能源催化研究。已在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater、Energy Storage Mater.等国际权威杂志发表论文150余篇，其中IF＞10的文章90篇，已被SCI引用22000余次，ESI高被引论文26篇。承担科技部、中组部、基金委、中科院、企业等20余个科研项目。获国家自然科学二等奖、辽宁省自然科学一等奖、Energy Storage Materials青年科学家、中科院“百人计划”终期评估优秀等奖励和荣誉；担任Appl. Surf. Sci.编辑、J. Energy Chem.执行编委、Energy Storage Mater.编委和客座编辑、Adv. Mater.客座编辑等多项学术任职。

课题组网页：www.zswu.dicp.ac.cn

第一作者介绍

寇艳，大连化物所博士后，合作导师为史全研究员。研究方向为聚合物相变材料。

孙克衍，大连化物所在读博士生，导师为史全研究员。研究方向为导热增强相变材料的合成与应用。