一种通过均质增强的聚（丙烯-接枝马来酸酐）-G-十八烷基醇梳状聚合物实现的高热效率聚丙烯柔性相变复合薄膜

《Journal of Energy Storage》：An enhanced thermally efficient polypropylene flexible phase change composite film enabled by homogeneous-strengthened poly(propylene- graft-maleic anhydride)-g-octadecyl alcohol comb-like polymer

提高热管理效率的聚丙烯基梳状相变薄膜设计与性能研究。

　　本文主要探讨了一种基于聚丙烯（PP）的相变薄膜（PCF）的制备与性能研究。研究人员通过将不同含量的梳状聚（丙烯-接枝-马来酸酐）-g-十八醇（PMC18）与PP基质进行混合，成功制备了一系列具有高焓值的相变薄膜。这种新型材料不仅在结构上保持了PP的优良特性，还在热管理方面展现出显著的优势，为电子设备和高效能源系统提供了新的解决方案。

随着电子设备的微型化和可穿戴技术的普及，高集成度电子设备的热管理问题日益突出。传统的相变材料（PCMs）虽然具有高效的热调节能力，但在实际应用中常面临形状稳定性差、液体泄漏以及热能损失等挑战。因此，开发具有高焓值且形状稳定的柔性相变材料成为解决这些问题的关键。本文所研究的PP基相变薄膜通过引入PMC18，不仅有效防止了相变过程中的分离和泄漏现象，还实现了良好的热能储存与释放性能。

在制备方法上，研究人员采用了简便的溶液混合与热压技术，将不同比例的PMC18与PP基质结合。这种方法不仅操作简单，而且能够确保材料在微观结构上的均匀分布，从而提升其整体性能。通过对比实验，发现随着PMC18含量从5%增加到35%，相变薄膜的相变焓值显著提升，从4.2 J/g增加至33.9 J/g。这一变化表明，通过调整PMC18的含量可以有效控制材料的热能储存能力，从而满足不同应用场景的需求。

此外，PCF-35在150°C的高温环境下展现出良好的形状稳定性，这使其在高温工作环境中具有更强的适应性。同时，该材料在热缓冲能力方面也表现出色，能够显著降低温度上升速率，达到0.243°C/s。这一特性对于需要频繁加热和冷却的电子设备尤为重要，因为它可以有效避免因温度波动过大而导致的设备损坏或性能下降。

在实际应用测试中，PCF-35被用于45 W和67 W的氮化镓（GaN）快速充电器，结果显示其能够显著降低充电器表面温度。具体而言，45 W充电器的表面温度降低了12.5°C，而67 W充电器的表面温度降低了5.1°C。同时，67 W充电器的工作时间和输出能量分别延长了17.2%和18.4%。这些数据表明，PCF-35在提升电子设备热管理性能方面具有显著效果，能够有效延长设备使用寿命并提高其运行效率。

除了电子设备的应用，研究人员还通过模拟太阳辐射实验评估了PCF薄膜的冷却性能。实验结果显示，在太阳辐射条件下，PCF薄膜能够实现高达-3.7°C的冷却效果，而在冷却过程中，其内部温度仅上升了5.8°C。这一结果表明，该材料不仅能够在高温环境下保持稳定，还能够有效应对外部环境的热负荷，从而为被动冷却建筑和太阳能脱盐系统等应用提供了新的可能性。

在材料结构方面，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究人员确认了PMC18的成功引入。FTIR光谱显示，所有PCF-x薄膜都具有来自PP和PMC18的特征吸收峰，其中1734 cm?1处的吸收峰对应于PMC18中接枝的马来酸酐基团的C=O伸缩振动，这一峰在纯PP中并不存在，进一步验证了材料的组成。此外，-CH?的伸缩振动峰也出现在PCF-x薄膜中，表明PP与PMC18之间存在良好的分子间相互作用，从而增强了材料的整体结构稳定性。

从机械性能来看，PCF-x薄膜在不同PMC18含量下表现出不同的强度和韧性。当PMC18含量达到35%时，PCF-35的断裂伸长率提升至600%，但其拉伸强度和弹性模量相对较低，分别为14.8 MPa和504.4 MPa。这一现象说明，材料在增强热能储存能力的同时，也存在强度与韧性之间的权衡。然而，这种权衡并未影响其整体的热管理性能，反而使其在柔性薄膜应用中更具优势。

为了进一步验证PCF-x薄膜的热管理能力，研究人员进行了多种实验测试。结果显示，该材料在高温环境下能够保持稳定的结构，同时在热缓冲方面表现出色。特别是在高温操作过程中，PCF-35能够有效防止液体流动和泄漏，确保其在各种条件下的可靠性。此外，其良好的热传导性能和均匀的微观结构使其在热能储存和释放过程中更加高效，减少了能量损失。

在研究过程中，研究人员还探讨了多种形状稳定的相变材料的制备方法，包括微纳米封装、静电纺纳米纤维、多孔吸附以及侧链结晶性聚合物等。然而，这些方法往往伴随着材料柔性和轻量化方面的不足，限制了其在柔性薄膜中的应用。相比之下，本文所提出的PP基复合系统通过引入PMC18，不仅克服了传统方法的局限性，还实现了高能量密度与良好形状稳定性的结合，为柔性相变材料的发展提供了新的思路。

此外，研究人员还关注了材料的可加工性和重复使用性。PP基质的优良加工性能使得PCF-x薄膜能够通过热压等工艺进行大规模生产，同时其侧链结晶性聚合物的结构特点也确保了材料在多次热循环中的稳定性。这意味着，该材料不仅适用于一次性使用的热管理场景，还可以在需要重复利用的系统中发挥重要作用。

在实际应用中，PCF-x薄膜的高热能储存能力和良好的形状稳定性使其成为电子设备热管理的理想选择。尤其是在高功率电子设备中，如快速充电器和高能密度电池，PCF-35能够有效吸收和释放热量，避免设备过热，延长其使用寿命。同时，其较低的温度上升速率也有助于提高设备的运行效率，减少能耗。

值得注意的是，PCF-x薄膜的结构设计不仅考虑了热能储存性能，还兼顾了材料的柔性和轻量化需求。这一设计思路使得材料能够适应多种复杂的应用环境，包括可穿戴设备、柔性电子系统以及建筑节能材料等。研究人员相信，这种新型相变薄膜将在未来电子设备和能源系统中发挥重要作用。

在实验研究的基础上，研究人员还进行了理论分析，探讨了材料性能与结构之间的关系。他们发现，PMC18的侧链结构在热能储存过程中起到了关键作用，而PP基质的分子链结构则决定了材料的机械性能。通过优化材料的组成和结构，研究人员能够有效平衡热能储存能力与机械性能，从而满足不同应用场景的需求。

为了确保材料的性能稳定性和重复使用性，研究人员还对PCF-x薄膜进行了多次热循环测试。结果显示，该材料在连续加热和冷却过程中能够保持良好的结构完整性，不会出现明显的性能下降。这一特性使得PCF-x薄膜在实际应用中更加可靠，能够满足长期使用的需要。

综上所述，本文提出了一种基于PP基质和PMC18的新型相变薄膜，通过优化材料组成和结构设计，实现了高热能储存能力与良好形状稳定性的结合。这种材料不仅在电子设备热管理方面表现出色，还具有广阔的应用前景，有望在可穿戴技术、建筑节能和能源存储等领域发挥重要作用。未来的研究可以进一步探索该材料在不同环境条件下的性能表现，以及其在大规模生产中的可行性，从而推动其在实际工程中的应用。