可生物降解的石墨增强复合材料，用于提高能源效率和可再生能源存储应用

《Next Materials》：Biodegradable graphite-reinforced composites for energy efficiency and renewable energy storage applications

可降解聚合物/膨胀石墨复合材料通过优化配比，在58.01°C实现潜热熔融，结合EG增强的热导率（提升50%）和机械稳定性，适用于太阳能热存储与电子器件散热。

　　随着全球对可持续能源解决方案的需求不断上升，研究重点逐渐转向开发能够提高能源效率和可再生能源系统性能的新型材料。传统的相变材料（PCMs）虽然在热能储存方面表现出色，但它们常常受到环境毒性、生物降解性差以及长期稳定性不足的限制。因此，本研究聚焦于开发一种基于可生物降解聚合物的复合材料，通过引入膨胀石墨（EG）来提升其热传导性和形态稳定性，从而克服传统材料的局限性，为可持续材料在能源系统中的应用提供支持。

可生物降解的聚合物，如聚己内酯（PCL）、聚羟基乙酸（PHB）及其共聚物，因其良好的热性能，包括适宜的熔点和热稳定性，已被广泛研究用于热能储存。通过将这些聚合物与膨胀石墨等填料结合，可以显著提升复合材料的热导率和机械稳定性。研究表明，这样的复合材料不仅能够有效储存和释放热能，还能在多次热循环中保持结构完整性。本研究中，PCLB/PEO/EG复合材料在热循环后仍能保持热稳定性和机械完整性，熔点达到58.01°C，熔融焓值为70.44 J/g，显示出其在太阳能热能应用中的热储存潜力，以及在紧凑电子设备中的热调节能力。此外，这些材料的可生物降解性使其在促进能源效率、可再生能源利用和可持续消费方面具有直接贡献。

在材料选择方面，本研究探讨了多种生物基填料和复合策略，这些策略在提升复合材料的机械、热和功能性能方面表现出协同效应。例如，使用天然纤维、生物聚合物和纳米填料，可以实现拉伸强度的显著提升，如达到118 MPa，同时减少带隙，并显著提升导电性和热稳定性。这表明，生物基填料在调整生物基基质中的运输特性方面发挥着关键作用，为填料选择提供了指导。此外，利用回收碳黑作为化石衍生EG的替代品，有助于减少对不可再生资源的依赖，同时保持良好的热物理性能。

本研究的实验设计涵盖了材料的制备、表征以及热管理性能的评估。实验材料包括天然石墨片、PCL、PEO、PHB和EG。通过真空干燥和溶解，这些材料被混合并制成标准样品。随后，样品经历了多种表征手段，包括差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）。这些表征方法帮助研究人员理解材料的微观结构和热性能。例如，XRD结果显示，PCL/EG复合材料的结晶度在添加EG后有所降低，但EG的引入显著提高了热导率，从而改善了材料的热管理能力。

在热性能测试中，研究重点评估了材料在电子相关条件下的热管理效果。通过模拟紧凑型电子设备和电池系统中的热负荷，研究人员测试了EG对热导率的提升。结果显示，EG的添加显著降低了峰值温度，同时提升了热导率，从而改善了热能的分布和存储。例如，当EG的含量达到15 wt%时，热导率的提升幅度达到50%，显著降低了热点的温度并提高了热能的储存能力。此外，材料在多次热循环后的性能稳定性也得到了验证，表明其在实际应用中的可靠性。

在热稳定性方面，TGA测试显示，添加EG的复合材料在高温下表现出良好的热稳定性。例如，PCL/EG复合材料在高温下的热降解起始温度达到293.32°C，表明其在极端条件下的耐用性。而PEO的加入则对热稳定性产生了一定的负面影响，但其有助于提升复合材料的热导率和机械性能。此外，PHB/EG复合材料在热降解过程中表现出较高的热稳定性，其残留质量在500°C时仍能保持在6%左右，显示出良好的热性能。

通过将生物基材料与EG结合，研究人员成功开发出一种新型的热能储存材料。这种材料不仅具有较高的热导率和热稳定性，还能在多次热循环中保持形态稳定，避免了传统材料在热循环中的泄漏和结构破坏问题。同时，其可生物降解性使其在环境友好性方面具有显著优势，为可持续能源系统的开发提供了新的思路。

本研究的成果表明，基于生物基聚合物和EG的复合材料可以作为低毒性热能储存材料的可行替代方案。这些材料在太阳能热能储存和电子设备的热管理方面展现出良好的应用前景。此外，通过使用特殊的立方混合设计方法，研究人员能够优化材料的热性能，使其在特定的温度范围内实现高效的热能储存和释放。例如，优化后的PCL/PHB/PEO/EG混合物在热能储存和热稳定性方面表现出色，熔点稳定在56.01°C，熔融焓值达到103.24 J/g，同时热降解起始温度达到267.82°C，显示出良好的热性能。

本研究还探讨了材料在不同应用环境下的表现。例如，在电子设备中，EG的引入显著提升了热导率，有助于散热并减少热点温度。此外，这些材料在太阳能热能储存系统中的应用也显示出其在提高热能储存效率方面的潜力。通过热性能测试和表征，研究人员确认了EG在提升热导率和形态稳定性方面的关键作用，同时也发现了材料在不同比例下的热性能变化规律。

未来的研究方向可能包括扩大生产规模，并评估这些材料在实际的智能能源系统中的集成效果。此外，还可以探索EG与其他生物基填料的组合，以进一步提升材料的热性能和环境友好性。通过优化材料的组成和加工工艺，研究人员有望开发出更高效、更稳定的生物基复合材料，从而推动可持续能源技术的发展。