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受肌肉启发制备出新型木质基相变材料

文章来源：新能源网更新时间：2024-09-20 16:40:19

本报讯（记者孙丹宁）东北林业大学教授王成毓、杨海月研究团队与南洋理工大学教授陈晓东团队合作，通过溶剂响应，制备出一种能够适应复杂成形的、刚度可切换的木质基复合相变材料（PCMs）。这种生物可降解的木质基PCMs表现出卓越的成形性，为可持续和高效热管理的各种应用铺平了道路。相关成果近日发表于《先进材料》。

据了解，PCMs可以储存和释放可再生热能，对节能建筑和冷链物流的可持续热管理至关重要。传统的PCM在其相变温度以上容易泄漏、失去原有的形状，限制了其形状稳定性和通用性。因此，引入可生物降解和可成形的支撑材料，对于保持相变材料在高于相变温度时形状的稳定性至关重要。

已有研究发现，自然界中，在动态环境的驱动下，生物系统已经进化出组织结构来调节机械性能，以防止物理损伤并完成基本运动。例如，肌肉的周期性收缩和释放，依赖于肌动蛋白和肌球蛋白的交联和脱黏的相互作用。随后，随着钙水平的降低和腺嘌呤核苷三磷酸ATP消耗的减少，肌球蛋白脱离使肌肉放松。利用这种响应结构，研究人员通过构建PCMs响应交联超分子结构，为制造具有可编程刚度的可成形木质基PCMs提供了参考。

这项最新研究将可生物降解的聚乙烯醇（PVA）加入具有分层纤维素结构的脱木质素椴木中，制备出具有PVA和纤维素分子响应交联网络的PVA/木材水凝胶（PVA/W）。在水合状态下，由于排列的木纤维和PVA分子之间的氢键较弱，这种材料表现出较低的刚度和柔韧性。通过将聚乙二醇处理成氢键增强的PVA/木质聚乙二醇水凝胶，其在硬质和熔融状态下的拉伸应力从10.14MPa提高到80.86MPa，刚度从420MPa提高到4.8GPa，硬度是此前凝胶的530倍。这种能够根据溶剂变化而变形的可塑性相变材料有望实现复杂的热管理设计。

此外，通过生命周期评价，这种可变形、可回收和可生物降解的相变材料具有更低的环境足迹，为传统的塑料和热管理材料提供了可持续的替代方案。

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