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  合適的溫度對于人體的正常新陳代謝是不可或缺的。在沒有其他防護措施的情況下，若人體長時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。人類消耗了大量能源來調節(jié)周圍環(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、暖爐等來維持舒適的環(huán)境溫度。因此，亟需開發(fā)一種高效、實用、便攜的個人熱管理材料。在眾多個人熱管理材料中，柔性導電高分子材料因其可穿戴性、適應性、輕質性，以及能夠通過焦耳加熱在低電壓下實現(xiàn)高效加熱的能力而備受關注，并且部分的導電材料具有光熱性能。然而，由電能或光能產生的熱量會在短時間內引起顯著升溫，而一旦去除電源或光源，則會導致溫度的驟降。這種劇烈的溫度波動會引起人體明顯的不適感。因此，有必要在高溫時儲存熱能，并在低溫時釋放，以維持合適的溫度范圍。相變材料能夠在相變過程中吸收和釋放大量潛熱，從而減少溫度波動，有望解決熱能在時間和空間上的不匹配問題。因此，將相變材料引入柔性導電高分子材料中，是實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性和舒適性的關鍵。然而，相變材料在液態(tài)時易發(fā)生泄漏，在固態(tài)時又較為剛性，這極大地限制了其在柔性器件中的廣泛應用。因此，如何構建兼具高熱能儲釋能力、柔性、電導性、焦耳加熱和光熱轉換效率的多功能熱管理器件，仍是一項巨大的挑戰(zhàn)。

  華南師范大學周國富教授團隊張振課題組制備了一種具有多功能的柔性相變復合材料（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、光熱轉換能力（在1.0 W/cm2的近紅外光與氙燈照射下分別達到88.2 和80 °C）、電導率（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人熱管理材料。此外，得益于其光熱轉換能力、柔性、電導性和力學性能，DBT 薄膜還在太陽能熱電發(fā)電和運動傳感等應用中展現(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華南先進光電子研究院2024屆碩士畢業(yè)生魏強。本研究得到了浙江科技大學張學金、王立軍、洛陽理工李雪、陳建軍等老師的指導和大力幫助！

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薄膜在熱能儲存、光熱轉換、焦耳加熱和運動傳感等方面的應用。

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薄膜相對于 C₂₂-CMP 微膠囊的焓值比以及DBT薄膜中C₂₂-CMP的質量分數(shù)對比；（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-時間曲線；（E）DBT-334薄膜表面在1.6 W/cm2 NIR長時間照射下的溫度-時間變化曲線；（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 光照強度下的光熱轉換曲線；（H）STEG系統(tǒng)的實物圖；（I）STEG的工作機制示意圖；（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秒后的實物照片與紅外熱成像圖。

圖5（A）DBT復合材料的電導率；（B）以藍色LED燈作為導電指示器演示DBT-334導電性能的實物圖；（C）DBT-334復合薄膜在不同施加電壓下的時間-溫度曲線；（D）DBT薄膜加熱過程中最高溫度與電壓平方（U2）之間的關系曲線；（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)測試曲線；（G）DBT薄膜在7 V電壓下長時間通電過程中的表面溫度變化；（H）步進電壓切換過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際加熱應用示意圖。

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

圖7（A）DBT-334薄膜的彎折、折疊、卷繞、扭轉和拉伸測試；（B）DBT薄膜樣品的拉伸應力-應變曲線；（C）DBT薄膜的楊氏模量和極限強度；（D）C₂₂、C₂₂-CM、C₂₂-CMP和DBT-334在70 ℃條件下加熱不同時間后的實物照片；（E）DBT-334在70 ℃烘烤3小時前后的實物照片。

  本研究設計了一種具有高潛熱、光熱轉換和焦耳熱性能的多功能柔性相變薄膜（DBT）。該多功能薄膜通過簡便的溶液鑄膜法，將C₂₂-CMP微膠囊與BC/PPy納米纖維引入TPU基體中構建而成。C₂₂-CMP微膠囊是通過在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)異的光熱轉換性能、熱穩(wěn)定性和導電性。PPy通過氧化聚合反應包覆于BC表面，所獲得的BC/PPy納米纖維因其高長徑比與良好導電性，被用作TPU的導電性納米填料。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，可用于個人熱管理、太陽能熱電發(fā)電和人體動作監(jiān)測等領域。

  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