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基于石蜡/聚乙烯醇/MXene的柔性相变复合薄膜热管理应用研究
该研究由Jinlong Zheng、Yong Deng（通讯作者）、Yilin Liu、Fuzhong Wu、Wenhao Wang、Heng Wang、Shuya Sun以及Jia Lu完成，所有作者隶属于贵州大学材料与冶金学院，贵州省冶金工程与过程节能重点实验室。论文发表在《Chemical Engineering Journal》第453卷（2023年），其DOI为https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139727。在2022年10月12日上线（正式接受时间为2022年10月7日），文章主要探讨如何构建性能协同增强的光吸收-光热转换-热存储-热利用一体化柔性相变复合薄膜（Flexible Phase Change Composite Films, FPCCFs）以满足先进热管理的应用需求。
相变材料（Phase Change Material, PCM）是一类能通过相变有效存储或释放大量潜热的材料。其中，有机固液相变材料如石蜡因具备可调相变温度、高潜热、良好的化学稳定性和低成本优势，被广泛应用于太阳能利用、电子设备、可穿戴设备、动力电池及智能纺织品等热管理领域。然而，石蜡固有的低光-热转换效率及低导热性限制了其在热管理领域的应用。引入高导热性和光热转换能力的填料（如MXene碳化物、碳纳米管和石墨烯）是解决这一问题的方法之一。
近年来，柔性相变复合薄膜特别受到关注，其优越的机械性能使其能够承受拉伸、弯曲及折叠形变，这不仅减少了设备的界面热阻，还提高了设备的适应性。然而，当前柔性相变复合薄膜在机械强度与热存储性能协同优化方面仍存在挑战。这促使本文探索如何通过实验设计制备机械强度、光热转换及导热性能协同增强的柔性相变复合薄膜。
研究中选用石蜡（Paraffin，PW）作为相变基体材料、聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）作为柔性增强剂，并引入二维MXene材料以提升复合薄膜的多种性能（如光热转换与导热性能）。MXene通过盐酸与六氟化锂对Ti3AlC2（MAX相）蚀刻制得。随后，采用物理混合法，在90℃下搅拌混合不同比例的石蜡、聚乙烯醇、MXene及Na2B4O7，以形成交联网络。所得溶胶经涂布后，制得具有不同组成配比的柔性薄膜。
具体制备方法包括：(1) 使用HCl/LiF混合液刻蚀Ti3AlC2制备MXene，(2) 混合PVA、Na2B4O7及不同含量的MXene和石蜡，(3) 浇淋后低温干燥形成薄膜。
研究综合运用了SEM、FT-IR、XRD、DSC、TGA、力学测试、红外热成像及导热性测试等实验技术，评估薄膜的各项性能。具体表征包括：表面形貌、化学兼容性、晶体特性、热存储能力、光热转换效率、机械性能、热稳定性及可重复性。
SEM显示，PW颗粒紧密嵌入于MXene与PVA构成的复合结构中，其中MXene在薄膜中分布均匀，但含量不同对形貌影响不显著。FT-IR光谱验证了交联结构的形成，未发现PW发生化学反应。
通过DSC测试得出：PW作为基体材料，其潜热（117.02 J/g）随着PW含量的增加而增加。同时，MXene的引入仅对相变温度和潜热产生细微影响，证明MXene的使用未显著降低热存储性能。
机械测试表明，较高的PW负载会降低抗张强度，而增加MXene含量可有效提升薄膜的机械强度。比如，7.65 wt%的MXene使抗张强度增加至2.51 MPa。MXene中的表面官能团（如-OH、-F等）通过提供额外的氢键链接位点，促进了薄膜内部的交联，从而显著提高了机械性能。
4个光照-冷却循环结果显示，MXene显著提升了光热转换效率和加热速率。例如，含7.65 wt% MXene的薄膜其表面温度能在10秒内达到45°C。
通过热导率测定，含有MXene的复合薄膜导热率增至0.62 W/(m·K)，为石蜡的约两倍。热管理模拟实验也证实了，包裹有多层薄膜的玻璃瓶能显著延迟热量流失，显示其潜在应用前景。
通过TGA分析和形状记忆性测试可知，薄膜在相变操作温度（约60°C）范围内具有良好热稳定性。实验还发现，薄膜在光照下的形变恢复率接近100%。
与文献中类似的柔性相变材料相比，这种石蜡/聚乙烯醇/MXene复合薄膜展现了机械强度、光-热转换与导热性能的协同增强，制作工艺也更为简单可靠。
本研究成功设计并制备了兼具优异机械性能、热存储能力及热传导能力的柔性相变复合薄膜，为先进的热管理应用提供了新思路和实践方法。此项研究不仅验证了MXene在协同性能提升中的关键作用，也为柔性相变复合材料的工业化应用提供了理论基础和实验依据。未来，进一步改进薄膜的热可靠性将是重要研究方向。