陕西科技大学《ACS AMI》：氟化石墨烯导热水凝胶，用于柔性可穿戴电子产品和冷却膏

成果简介

具有出色机械柔韧性的水凝胶被广泛应用于柔性电子设备中。然而，由于其导热性较低，很难满足大功率集成柔性电子器件的进一步应用。本文，陕西科技大学Xiaohua Jia、Haojie Song等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Fluorinated Graphene Thermally Conductive Hydrogel with a Solid–Liquid Interpenetrating Heat Conduction Network”的论文，研究通过芳香族聚酰胺纳米纤维（ANF）和氟化石墨烯（FG）增强聚乙烯醇（PVA），构建了具有固液互穿导热网络的高导热复合水凝胶，并通过单宁酸（TA）溶液浸泡交联，获得了具有双交联网络的水凝胶。

与 PVA-ANFT 相比，PVA-ANF-FG3T-11.1% 复合水凝胶具有良好的机械性能，拉伸模量高达 0.89 兆帕，拉伸强度高达 1.23 兆帕，断裂能高达 3.45 兆焦耳/厘米-3，这主要归功于复合水凝胶中的多氢键相互作用。此外，PVA-ANF-FG3T-11.1% 复合水凝胶的摩擦系数为 0.178，适合用于高摩擦系数应用。PVA-ANF-FG3T-11.1% 复合水凝胶的导热系数为 1.42 W m-1 K-1，这归功于固体导热网络和液体对流网络的协同作用，从而使复合水凝胶具有较高的导热系数。PVA-ANF-FG3T-11.1% 复合水凝胶的高导热率显示了其在柔性可穿戴电子设备和冷却膏应用方面的巨大潜力。

图文导读

图1.（a） FGi的SEM照片。（b、c）FG 的 TEM 和 HR-TEM 图像。（d） FGi、FG1、FG2和FG3的元素含量。XP为F1s （f） 和 C1s （e） 以及 FGi、FG1、FG2 和 FG3。FGi、FG1、FG2和FG3的FTIR （g） 和拉曼光谱 （h）。

图2：（a）PVA-ANF-FGT 复合水凝胶的制备过程示意图。(b) ANF、PVA 和 FG 以及在 DMSO 中相互混合的照片。(c、d）不同形状的 PVA-ANF-FGT 复合水凝胶。(e）PVA-ANF-FGT 复合水凝胶的 SEM 图像。(f）复合水凝胶的初始含水量和（g）膨胀率。

图3：（a-c）PVA、PVA-ANF-T 和 PVA-ANF-FGT 的傅立叶变换红外光谱。(d-f）PVA、PVA-ANF 和 PVA-ANF-FG 溶液的复合粘度、存储模量和损耗模量。

图4：（a）不同 FG 的 PVA-ANF-FGT 复合水凝胶的拉伸应力-应变曲线。b）PVA-ANF-FGT 复合水凝胶的拉伸强度和弹性模量。(c) PVA-ANF-FGT 复合水凝胶的断裂伸长率和韧性。(d、e）PVA-ANF-FGT 与 40% 和 60% 的不同 FG 复合水凝胶的循环压缩试验。(f) 含有 60% PVA-ANF-FGT-11.1% 的九次循环压缩试验。

图5：（a，b）不同 FG 的 PVA-ANF-FGT 水凝胶的热导率和热导率增强。c）不同 FG 的 PVA-ANF-FGT 水凝胶的 CHP 温度变化。d）额头涂抹 PVA-ANF-FGT-11.1% 水凝胶的红外图像。(e) PVA-ANF-FGT-11.1% 水凝胶发光二极管的温度与时间关系。(f) 复合水凝胶的传热机制示意图。

图6：（a，b）PVA-ANF-FGT 复合水凝胶的摩擦系数。(c、d）PVA-ANF-FG3T-11.1% 在不同转速（载荷：5 N）下的摩擦系数。(e、f）不同负载（转速：100 rpm）下 PVA-ANF-FG3T-11.1% 的摩擦系数。

小结

总之，我们开发了一种以ANF和FG增强PVA的高导热复合水凝胶，并结合水热对流构建了固液互渗的导热网络，最后通过TA溶液浸泡交联得到了双交联网络水凝胶。制备的 PVA-ANF-FGT 复合水凝胶具有优异的力学性能，拉伸模量高达 0.89 MPa，拉伸强度高达 1.23 MPa，断裂能高达 3.45 MJ cm-3，这归功于复合水凝胶中的多氢键相互作用。此外，由于固体导热网络和液体对流网络的协同作用，PVA-ANF-FG3T-11 wt % 复合水凝胶的导热系数（1.42 W m-1 K-1）高于纯 PVA 水凝胶。在前额使用 PVA-ANF-FG3T-11 wt % 复合水凝胶后，放置水凝胶的前额温度（从 34.1°C 降至 29.8°C）明显降低。将 PVA-ANF-FG3T-11 wt % 复合水凝胶用作 LED 的 TIM 时，工作温度也会显著降低。PVA-ANF-FG3T 复合水凝胶的摩擦系数较低，适合工程应用。这项研究为柔性电子器件的 TIM 提供了新的视角。

文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c14478