【文献解读】Carbohydrate Polymers：具有高潜热的轻质、高强度且形状稳定的纤维素纳米纤维/相变复合气凝胶

背景介绍

城市化进程的加快和全球人口的增加使得对能源的需求激增。在所有消耗的能源中，约 86% 来自化石燃料，超过 40% 用于住房和建筑。为了提高能源效率，解决能源供需不匹配的问题，热能储存材料得到了广泛的应用。相变材料由于在相变过程中可以储存和释放大量能量而备受关注。然而，相变材料仍需满足几个关键标准才能更好地在实际中得到应用，例如在相变过程中较小的体积变化、无泄漏、高潜热、良好的热性能和机械性能。近年来，相变材料在便携式容器和设备中的应用潜力不断增加，而轻质稳定的相变材料仍有待开发。

近日，加拿大不列颠哥伦比亚大学姜锋教授团队提出了一种使用纤维素纳米纤维（CNF）和Pickering 乳液模板法制备一种重量轻、强度高且形状稳定的相变气凝胶。纤维素纳米纤维用于将相变材料（PCM，石蜡）包裹到Pickering 乳液中，然后将其进一步整合到3D互连的纤维素纳米纤维网络中，形成纤维素纳米纤维/相变复合气凝胶。复合气凝胶强度高，可以支撑自身重量的5000 倍以上，并且在 80°C 环境下表现出优异的形状稳定性，在 20 次加热/冷却循环后没有形状变化或液体泄漏。复合气凝胶的潜热可达173.59 J·g ^-1。

图文解读

制备的相变乳液在冷却至室温后非常稳定，不会发生相分离，并且可以保持在倒置玻璃瓶的底部。乳液液滴显示双峰尺寸分布，乳液液滴直径为 377 纳米 和 5 微米。复合气凝胶最高密度是78 mg·cm ^-3。

复合气凝胶表现出 3D 互连的多孔结构，相变乳液液滴牢固地嵌入孔壁内，同时保持彼此分离。乳液液滴冻干后仍保持球形，与光学图像中的液滴大小相似。

CNF/PCM4复合气凝胶表现出最高的杨氏模量 1.06 MPa 和屈服强度 30.6 kPa， CNF/PCM1、CNF/PCM2和CNF/PCM4复合气凝胶可分别承受自身重量5360、3937和2645倍的载荷，在500克的重量压力下几乎没有形状变形。

纯石蜡在80 °C下加热20分钟后完全熔化并变成透明液体，而复合气凝胶即使在 48 小时后仍保持最初的圆柱形状。复合气凝胶即使在 190°C 和500 g 的重量下也能很好地保持结构完整性。

复合气凝胶的潜热可达173.59 J·g ^-1。复合气凝胶的起始降解温度约为220°C，表明其在高温应用中具有较高的热稳定性。在 80°C 烘箱中加热然后室温冷的20次循环测试后，复合气凝胶没有显示出形状变化或液体泄漏。

复合气凝胶表现出相对较低的导热系数，为 32.0–37.7 mW·m ^-1 ·K ^-1。在加热和冷却测试中，复合气凝胶的温度变化随着相变材料含量的增加而变化得更缓慢 。在热调节能力的应用演示中，一个由复合气凝胶制作的立方体盒子在被放入95°C的烘箱后盒子内部仍然保持低温。在红外屏蔽的应用演示中，当人的手掌部分被复合气凝胶覆盖时，被盖住的部分几乎完全融入背景中。

结论

综上所述，纤维素纳米纤维和Pickering乳液模板法为制备具有良好且稳定的热性能和机械性能的轻质相变材料提供了可行性。制备方法的简单和相变材料的优异性能使其在智能纺织、智能建筑、电池和电子设备等领域的节能和承重方面具有前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118460

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