东华大学武培怡/孙胜童团队SusMat论文：太阳能/电能双驱动的即用型强韧加热贴片
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研究背景
太阳能作为一种可再生清洁能源，有望缓解现代生产生活对传统化石燃料的依赖。光热转换是一种简单直接利用太阳能的方法，目前已广泛应用于水蒸发、脱盐、杀菌、集水等新兴领域。光热材料的常用设计策略是在特定基材（如木材、水凝胶、薄膜、钢、海绵）上覆盖适应性的光热涂层，可以最大限度地减少材料浪费和生产成本，同时提高宽带光吸收和传热效率。然而，用于光热涂层的光热材料大都是碳材料、贵金属粒子、导电聚合物等纳米材料，颗粒间的松散组装非常不利于光热涂层在长期户外使用时保持结构稳定。此外，光热涂层的光热效果十分依赖光照条件，由于日照强度随时间和气候条件不断变化，如何在恶劣天气下实现可持续加热也是颇为棘手的问题。截至目前，开发一种多能量耦合、强韧且易于规模化制备的多功能光热涂层仍是一项极具挑战性的任务。
图1. 兼具光热、焦耳热和损伤自我诊断性能的加热贴片的制备原理及光固化表征。
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工作介绍
为解决上述问题，东华大学武培怡/孙胜童研究团队开发了一种由太阳能/电能双重驱动的即用型强韧加热贴片。这一贴片由作为增强相和导电网络的多孔碳纤维毡(CMM)和自粘型丙烯酸树脂基体组成。与已报道的其他光热涂层材料相比，这一加热贴片具有以下优势：1）高光热转换效率(~85.3%)；2）优异的焦耳加热能力(81.6 °C W-1)；3）高耐用性，具有非常高的力学韧性和基材粘附能力，并可抵抗机械破坏和水侵蚀；4）通过碳纤维导电通路的电阻变化可进行损伤自我诊断；5）易于规模化制备。作者将这一加热贴片应用于改善多变环境下原油长距离管道输送，表现出了巨大的应用潜力。该工作以“A sustainable, ultratough, and ready-to-use adhesive heating patch driven by solar/electric dual energy”为题发表于SusMat 期刊（DOI: 10.1002/sus2.35）。
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作者介绍
武培怡 教授
武培怡，教授，博士生导师。东华大学化学化工与生物工程学院院长，国家杰出青年基金获得者(2004)，英国皇家化学会会员。1998年获德国ESSEN大学自然科学博士学位；1998-2000年在日本触媒研究中心从事研究工作；2000-2017年任复旦大学高分子科学系教授；2017年起任东华大学化学化工与生物工程学院教授、院长。主要致力于二维相关光谱在聚合物体系中的应用、智能仿生材料、聚合物功能膜等研究。在Adv. Mater.、Nat. Commun.、Joule等期刊发表论文300余篇。获得2001年入选上海市科委启明星计划、上海市教委曙光计划；2003年入选上海市科委白玉兰科技人才计划；2004年入选上海市科委启明星跟踪计划、国家杰出青年基金资助、上海市引进海外高层次留学人员专项资金资助；2005年度入选教育部首届新世纪人才计划；2007年入选上海市优秀学科带头人计划；2016年入选英国皇家化学会会士；2017年获陶氏化学“Dow Innovation Challenge Award”等奖励与荣誉。
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孙胜童 研究员
孙胜童，东华大学特聘研究员，博士生导师。2003 年本科毕业于厦门大学材料科学与工程系，2012年在复旦大学获高分子化学与物理专业理学博士学位（导师：武培怡教授）。2013至2015年，在Konstanz大学Helmut Cölfen 教授指导下研究非经典结晶和仿生材料，并获德国洪堡奖学金。2015 年回国后首先就职于华东理工大学，2017年4 月被聘为东华大学先进低维材料中心特聘研究员。他的研究兴趣主要集中在智能聚合物、可拉伸电子与二维相关光谱分析。迄今以第一/通讯作者在Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表学术论文55 篇。主持国家自然科学基金重大项目课题、面上项目等，入选上海市人才发展基金（2021）、青年科技启明星（2019）、晨光计划（2016）、德国洪堡学者（2013-2015），先后两次组织中德双边研讨会（2018，2019）。
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主要内容
1. 加热贴片的制备及力学、粘附表征
加热贴片由光固化丙烯酸树脂在真空辅助下渗透碳纤维毡制备而成，可通过进一步与离型膜复合制成“即用型胶带”。使用时，将贴片贴附在基材表面，紫外光或太阳光照射5分钟即可完全固化。复合材料的拉伸模量、强度和断裂韧性分别达到1.0 GPa、108 MPa和9.1 MJ m-3，比纯固化树脂高出2至3倍。单边切口三点弯曲实验测算出加热贴片的裂纹扩展初始和稳定阶段的断裂韧性分别为2.5 MPa m1/2和9.5 MPa m1/2，均远高于纯固化树脂。此外，加热贴片对钢材、木材、玻璃等多种基材均具有良好的粘附能力。源于粘附性树脂的末端羧酸/羟基与金属原子的螯合作用以及范德华力等分子间相互作用力，贴片与光滑钢板之间的粘合强度高达3.1 MPa。
图2. 纤维复合树脂加热贴片的力学和粘附性能表征。
2.光热性能
由于嵌入复合材料中的碳纤维毡具有多层次纤维结构，加热贴片具有非常大的光捕获面积。碳纤维捕获的光发生多次内部反射，直到被完全吸收，太阳光吸收率达91%。在光功率密度为1 kW m-2的模拟太阳光照射下，贴片的表面温度迅速上升至80 °C，几乎与碳纤维毡表面温度相同，而纯树脂的表面温度仅上升至约45 °C。经计算，加热贴片的光热转换效率高达85.3%。此外，该贴片在光照开关循环下具备极为优异的可逆光热稳定性。
图3. 固化树脂、碳纤维毡及复合材料加热贴片的太阳光热性能对比。
3.损伤自我监测和焦耳电加热性能
与通过增加导电填料含量提高复合材料导电性的常见策略不同，基于碳纤维互穿网络的加热贴片最大程度地利用了导电通路。由于光固化树脂抗湿耐水，加热贴片的导电能力在高温高湿环境中基本保持不变。非破坏性的弯折或击打也不会影响加热贴片的导电能力，但当其遭到结构性破坏时，电阻发生急剧提升，由此可实现损伤自我监测。此外，加热贴片的高电导率（5 S cm-1）使得电加热便于进行，可在日照条件不足时作为补充热源使用。
图4. 加热贴片在极端环境下的电阻稳定性、损伤自我监测能力以及电加热特性。
4. 光热/电热改善原油管道输送
为展示这一加热贴片在实际场景中的应用潜力，作者将贴片贴附于模拟钢制输油管道，在太阳光照射下，通过热电偶监测管道中的油温变化并跟踪原油流动性。研究发现，使用加热贴片的管道中油温比无贴片管道升高更为明显，在30分钟内的原油释放量比无贴片管道高出6倍。这是因为，加热贴片的高效光热能力可有效降低原油粘度，从而提升原油流动能力。此外，当光照不足时，加热贴片优异的电加热性能作为补充，可直接就地加热管道中的原油，也可使原油粘度显著降低。
图5. 加热贴片通过光热/电加热双重效应辅助原油管道输送。
5. 结论与展望
针对传统光热涂层功能单一、力学性能差、易受环境影响等问题，该工作基于光固化自粘丙烯酸树脂和碳纤维毡复合材料开发了一种高韧性、高度可持续性、低成本、制备和使用简便的全天候加热贴片。这一贴片可像胶带一样在暗处储存，使用时直接粘附在几乎任意基材表面，并通过紫外光或太阳光快速固化。借助于碳纤维互穿网络出色的光热转化效率和导电性，加热贴片同时集合了太阳能光热、焦耳电加热和损伤自我监测三种性能。此外，加热贴片与基板的强粘附性可防止在长期使用过程中脱落，使其能在极端环境下工作而不受天气变化影响。
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解读：荆晶晶
排版：曹晚秋
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