隨著電子產品小型化、集成化和高功率化，如何控制電子產品所生的熱量已成為備受關注的科學問題。相變材料具有相變潛熱高、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點，在熱能儲存和熱管理領域具有應用潛力。然而，如何制備出能在低溫環(huán)境下工作的阻燃相變薄膜仍面臨挑戰(zhàn)。為此，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張學同團隊與海南大學教授廖建和團隊合作，通過溶解芳綸獲得芳綸納米纖維（ANF），再經刮涂、溶膠-凝膠、多巴胺原位聚合等過程得到阻燃性能優(yōu)異的聚多巴胺/芳綸納米纖維（PANF）氣凝膠薄膜；以此氣凝膠薄膜為多孔主體負載低共熔（DES）相變客體，制備出具有阻燃和低溫熱管理功能的PANF-DES主-客體相變薄膜，制備流程如圖1所示。
PANF薄膜可以通過改變工藝參數(shù)實現(xiàn)厚度、密度、形狀的調控以及大尺寸連續(xù)制備，并且具備可彎曲、折疊等特征，有良好的力學柔性。多巴胺的原位聚合不改變芳綸氣凝膠薄膜的高比表面積，還可使其在酒精燈火焰上縮短自熄時間并基本保持基體完整性，為后續(xù)主客體復合薄膜的結構支撐奠定物質基礎。
該研究將三元低共熔相變材料填充到PANF氣凝膠薄膜中，得到的PANF-DES主客體薄膜相變溫度為-21℃、相變焓高達225J/g，且具有優(yōu)異的阻燃性，其熱釋放量和氣體釋放量均比商業(yè)阻燃相變薄膜低一個數(shù)量級，以垂直、彎曲、平行狀態(tài)接觸酒精燈火焰均無明火，只有部分碳化，以放熱少、火焰?zhèn)鞑ツ芰π〉膬?yōu)良阻燃性能保證了實際應用的安全性。此外，研究者通過搭建簡易裝置，探索了PANF-DES主客體薄膜在低溫電子器件上的熱管理性能。PANF-DES主客體薄膜可通過熔化或結晶過程吸收或釋放大量熱能，減緩升溫或降溫速率；在循環(huán)升降溫過程中，PANF-DES主客體薄膜可削減溫度波動，維持電子器件溫度相對穩(wěn)定。因此，此PANF-DES主客體薄膜可應用于低溫環(huán)境下電子元器件的溫度管理。
相關研究成果以Flame-Retardant Host–Guest Films for Efficient Thermal Management of Cryogenic Devices為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、英國皇家學會-牛頓高級學者基金的資助。
圖1.PANF-DES主客體復合薄膜的制備及阻燃和熱管理功能示意圖
圖2.PANF氣凝膠薄膜：（a-b）光學照片；（c）不同濃度多巴胺溶液對芳綸氣凝膠薄膜增重率的影響；（d）ANF；（e）聚多巴胺；（f）PANF的微觀形貌。
圖3.PANF-DES主客體復合薄膜的相變行為和阻燃性能
圖4.PANF-DES主客體復合薄膜的熱管理性能
