弗吉尼亚理工大学田芝婷教授课题组温敏型聚合物水溶液的热导率改变

 
热开关可以通过热导率的改变有效控制温度。热开关具有很多应用前景，例如太空技术、智能建筑以及能量存储系统。传统的热开关例如机械开关和一级相变开关通常体积过大、转变速率较慢。制作简便并且响应快的热开关需要热导率可以快速突变的物质。田芝婷教授团队首次利用高级相变实现了热导率快速改变。
 
温敏型聚合物水溶液能够在转变温度附近发生快速的二级相变，这个突变导致的热导率改变可以用来制作简便并且响应快的热开关。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是一种在药物控释、基因送递、组织工程学以及化学传感器等方面得到广泛应用的温敏型聚合物。而对它在用来制作热开关方面的研究还未曾有过。PNIPAM聚合物的转变温度（最低临界溶解温度LCST）为32 ℃，当温度高于转变温度时，PNIPAM聚合物水溶液由均相体系转变成非均相体系。
 
田芝婷教授团队使用透射式瞬态热栅法测定了PNIPAM聚合物水溶液在相变前后的热导率改变。实验结果（如图1）表明当温度高于转变温度时，PNIPAM聚合物水溶液的热导率会降低。主要原因是相变后PNIPAM聚合物分子与水分子之间的界面热阻增大，导致热导率减小。另一个影响较小的可能因素是PNIPAM聚合物分子收缩后热导率减小导致总热导率减小。
 

图1. 不同浓度PNIPAM聚合物水溶液随温度改变的热导率折线图
 

图2. 不同浓度PNIPAM聚合物水溶液在相变前后的热导率改变率
 
如图2，浓度越高，PNIPAM聚合物水溶液的热导率改变比例越高，由于相变后溶液会变浑浊，实验使用的透射式瞬态热栅法只能测量低浓度下的热导率改变，在0.025g/mL时的热导率改变率为1.15，更高浓度的溶液将有着更高的热导率改变比例。根据已有趋势预测，在浓度达到0.4g/mL时热导率改变率可突破2.
 
以上成果发表在ACS Macro Letters （ACS Macro Letters 7,53-58(2018)）上。论文的共同第一作者是弗吉尼亚理工大学的博士生李晨、马韫伟，通讯作者为田芝婷教授。该课题组的网站链接：https://ztgroup.org/
 
论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.7b00938

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