海南大学研发主客体阻燃薄膜用于低温设备有效热管理

　　随着电子工业的发展，现代电子产品趋向于小型化和高功率密度化，这极大地增加了电子元件的热通量。然而，电子产品的工作温度不当会严重降低其性能，甚至还可能引起火灾。因此，近年来关于热/温度管理和阻燃技术的研究受到了极大的关注。相变材料（PCM）已被开发用于热/温度管理系统，它可以储存大量的热能并在需要能量时再次释放。在各种相变材料中，固液相变材料因其潜热密度高、体积变化小而得到广泛应用。然而，固液相变材料在相变过程中存在泄露的问题。气凝胶是一种纳米多孔材料，极高的孔隙率、超低密度和大比表面积使其成为包装PCM的绝佳基质。为了适应小型化、集成化和便携式电子设备，已经开发了各种气凝胶-PCMs主客体复合薄膜。但是，由于有机相变客体或与氧气有较大接触面积的多孔主体具有易燃性，这些气凝胶-PCM主体客体薄膜的使用依然受到阻碍。为了开发阻燃相变复合材料，一般可从多孔基质和相变材料出发。多孔基质虽然可选用无机不燃气凝胶，但大多数无机气凝胶太脆而不能成型为薄膜。而利用阻燃改性（如聚多巴胺PDA）有机气凝胶薄膜（如Kevlar气凝胶薄膜）作为主体薄膜来制备不可燃相变材料更具有吸引力。此外，无机相变材料不易燃，但固液相变过程中容易发生相分离。有机相变材料可与阻燃剂物理混合降低易燃性，但需要的阻燃剂量很大（20-50%）。化学改性是提高有机相变材料阻燃性能的有效方法，但会大大降低储能密度。因此，设计与制备具有高存储性能和超低可燃性的气凝胶-PCM主客体复合薄膜仍然极具挑战性。此外，以往的相变复合薄膜的相变温度通常高于室温，低温环境中的应用依然受到限制。
　　鉴于此， 海南大学 廖建和教授 联合中科院苏州纳米所张学同研究员 以阻燃聚多巴胺-芳纶纳米纤维（PANF）气凝胶膜作为主体，以不可燃的低共熔溶剂（DES）作为低温客体，制备了一种阻燃低温相变复合材料（PANF-DES） 。该PANF-DES主客体薄膜具有优异的阻燃性能和低温环境下的高存储能力。这项工作为开发阻燃相变复合薄膜铺平了道路，并将在低温环境下的电子设备温度调节中得到广泛应用。
　　文章亮点：
　　1、PANF气凝胶膜是通过多巴胺在芳纶纳米纤维水凝胶膜内原位聚合制备的，具有高达289 m2 g-1的比表面积和高达32的极限氧指数。三元DES是NH4Cl-Eg-H2O以适当比例的混合物，具有低相变温度（-21°C）、高相变焓（245 J g-1)和不可燃性。
　　2、PANF-DES主客体薄膜的 相变温度为-21°C，熔化焓为225 J g-1 。PANF-DES主客体薄膜（2 cm × 10 cm）可 在无明火的情况下耐火60秒 ，热释放速率峰值（pkHRR）仅为26.0 MJ kg-1，表现出 优异的阻燃性 。
　　3、PANF-DES薄膜可 用于低温环境下的温度调节 ，可以显著 减缓设备的内部温度波动 。这种具有良好耐火性、低相变温度和高相变焓的PANF-DES主客体相变薄膜在低温环境下的热能储存和温度调节方面具有潜在的应用价值。
　　图1 PANF-DES主客体薄膜及其功能的示意图
　　图2 PANF-DES主客体薄膜的特性
　　图3 PANF-DES主客体薄膜在低温环境下的热能储存和温度调节性能表征
　　全文链接：
　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202102232