阻燃芳纶纳米纤维气凝胶-低共熔相变溶剂主客体复合薄膜及其低温电子器件热管理应用获重要进展
       随着电子产品小型化、集成化和高功率化,如何控制电子产品所产生的热量已成为备受科研人员关注的重大科学问题之一。相变材料具有相变潜热高、稳定性能好等优点,在热能储存和热管理邻域具有巨大应用潜力。然而,如何制备出能在低温环境下工作的阻燃相变薄膜仍面临挑战。为此,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员团队与海南大学廖建和教授团队合作,通过溶解芳纶获得芳纶纳米纤维(ANF),再经刮涂、溶胶-凝胶、多巴胺原位聚合等过程得到阻燃性能优异的聚多巴胺/芳纶纳米纤维(PANF)气凝胶薄膜;以此气凝胶薄膜为多孔主体负载低共熔(DES)相变客体,制备出具有阻燃和低温热管理功能的PANF-DES主-客体相变薄膜,制备流程如图1所示。
图1 PANF-DES主客体复合薄膜的制备及阻燃和热管理功能示意图
        PANF薄膜可以通过改变工艺参数实现厚度、密度、形状的调控以及大尺寸连续制备,并且具备可弯曲、折叠等特征,具有良好的力学柔性。多巴胺的原位聚合不仅没有改变芳纶气凝胶薄膜的高比表面积,还可以使其在酒精灯火焰上极大程度缩短自熄时间并且基本保持基体完整性,为后续主客体复合薄膜的结构支撑奠定物质基础
图2  PANF气凝胶薄膜:(a-b)光学照片,(c)不同浓度多巴胺溶液对芳纶气凝胶薄膜增重率的影响,(d)ANF、(e)聚多巴胺、(f)PANF的微观形貌。
      将三元低共熔相变材料填充到PANF气凝胶薄膜中,得到的PANF-DES主客体薄膜相变温度为-21℃、相变焓高达225J/g,且具有优异的阻燃性,其热释放量和气体释放量均比商业阻燃相变薄膜低一个数量级,以垂直、弯曲、平行状态接触酒精灯火焰均无明火,只有部分碳化,以放热少、火焰传播能力小的优良阻燃性能保证了实际应用的安全性。
图3 PANF-DES主客体复合薄膜的相变行为和阻燃性能
       研究者搭建了简易装置,探索了PANF-DES主客体薄膜在低温电子器件上的热管理性能:(1)PANF-DES主客体薄膜可以通过熔化或结晶过程中吸收或释放大量热能,减缓升温或降温速率;(2)在循环升降温过程中,PANF-DES主客体薄膜可削减温度波动,维持电子器件温度相对稳定。因此,此PANF-DES主客体薄膜可应用于低温环境下电子元器件的温度管理。
图4 PANF-DES主客体复合薄膜的热管理性能
       相关成果以“Flame-Retardant Host–Guest Films for Efficient Thermal Management of Cryogenic Devices ”为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。硕士研究生杨依山、副研究员吕婧为论文共同第一作者,中科院苏州纳米所张学同研究员与海南大学廖建和教授为论文共同通讯作者。该论文工作获得了国家重点研发计划、英国皇家学会-牛顿高级学者基金的资助。
      论文连接:https://doi.org/10.1002/adfm.202102232