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【研究背景】
热管理在许多工业生产过程中发挥着至关重要的作用。电子设备中的热量积聚会显著降低运行效率，影响设备的使用寿命，并在极端情况下造成永久性损坏。各种冷却方法，包括辐射冷却、热管冷却和液体喷雾冷却等各种冷却方法来缓解这一挑战。其中，液体喷雾冷却因其热传导通量高。过热度低、温度控制灵活、与高温表面的接触的接触热阻小以及操作简单而脱颖而出。然而，直接喷水需要消耗大量冷却水，尤其对于开放系统而言，重新收集冷却水既不现实，也不划算。因此，当务之急是寻找可靠的解决方案，在有效的热管理和资源保护之间取得平衡。
为了应对上述挑战，提出了一种快速制备多孔水凝胶涂层的静电喷涂工艺。在该工艺中，混合干粉喷洒聚乙烯醇（PVA）和单宁酸（TA），然后喷洒戊二醛（GA）水溶液。PVA和TA遇水溶解，瞬间形成氢键网络，固定了最初的颗粒间孔隙。随后PVA和GA之间发生化学交联反应，不仅能永久稳定孔隙，还能增强涂料的机械性能。由于兼具机械稳定性、粘附性和静电喷涂能力，该工艺在任何复杂的表面上都能制造大规模的水凝胶涂层。多孔水凝胶涂层具有快速冷却。持续吸水性，可为电子设备提供更高效的蒸发冷却系统。
目前该论文于2024年9月23日以“Sprayable porous hydrogel coating for efficient and sustainable evaporative cooling”为题在Matter（中科院SCI一区TOP，IF=17.3）上发表.通讯作者为浙江大学化工学院倪楚君研究员与赵骞教授，第一作者为博士生李烨。该工作得到了国家自然科学基金的资助（基金号：U20A6001[Q.Z.]和52273112[Q.Z.]）。
【图文速览】
图1 凝胶过程和多孔水凝胶的形成机制（A）原材料及其凝胶化过程。最右侧图片的比例尺为100微米，其他图片的比例尺为5毫米。（B）多孔水凝胶形成机理示意图.
图2 用粉末制备的水凝胶的机械性能（A）以去离子水为液相，按不同PVA-TA质量比制备的水凝胶的拉伸曲线。（B）用不同浓度的TA0.9和GA水溶液制备的水凝胶的拉伸曲线。（C）GA3水凝胶条提起50和100克载荷的照片。（D）TA0.9和GA3水凝胶在混合所有成分后储存剪切模量的变化。（F）TA0.9和GA3的拉伸-恢复周期。TA0.9和GA3样品拉伸前后的照片。所有刻度代表5毫米。
图3 水凝胶的多孔结构（A）显示各种水凝胶自然干燥后横截面的扫描电镜图像、刻度线代表100微米。（B）孔隙形成过程的机理解释图。（C）多孔水凝胶的排水能力（上图）和渗透能力（下图）。刻度线代表10毫米。（D）各种透明凝胶的可溶胀含水率。误差条代表3个不同样本的标准偏差。
图4 控制粉末喷涂和水凝胶涂层的附着性能（A）木板上的大规模喷涂过程。刻度线代表10厘米。（B）静电电压对涂料层厚度的影响。（C）气压对涂料层厚度的影响。（D）从不同基底上剥离水凝胶涂层。刻度线代表10毫米。（E）涂层在不同基材上的附着强度。（F）拓扑结构复杂的表面上的水凝胶涂层照片。刻度线代表5毫米。误差条代表3个不同样本的标准偏差。
图5 多孔水凝胶涂层对太阳能电池板的冷却效果（A）多孔水凝胶涂层与无孔水凝胶涂层相比在太阳能电池板冷却方面的优势示意图。（B）无涂层、0.9TA涂层和GA3涂层不锈钢板的水捕获-蒸发循环测试。蓝色柱代表喷水。（C）说明多孔水凝胶涂层冷却效果的红外热成像图。刻度线代表0.5米。（D）显示蒸发-水化循环过程中涂层横截面的照片。刻度线代表1毫米。（E）喷水后有涂层和无涂层太阳能电池板的温度变化动力学。（F）有涂层和无涂层太阳能板的效率比较。（G）照片显示了两个带和不带孔水凝胶涂层的散热器。刻度线代表10毫米。（H）带和不带多孔水凝胶涂层的两个散热器的温度变化。（I）带孔水凝胶涂层和不带孔水凝胶涂层的两个散热器的循环冷却测试。蓝色和灰色列分别代表有多孔水凝胶涂层和无多孔水凝胶涂层散热器的喷水点。
【文章结论】
总之，我们介绍了一种高度可扩展的静电喷涂方法，用于在具有任意拓扑表面的各种基底上制造多孔水凝胶，这得益于双重交联机制的设计，其中快速的物理交联可瞬时锁定初始孔隙率，而较慢的化学交联可稳定孔隙率并增强涂层的机械性能，涂层的保水能力可带来持久的水冷效果。此外，水凝胶的涂层的多孔性不仅能带来更好的蒸发冷却效果，还能在蒸发/补水循环过程中促进快速吸水。这些优点结合在一起，可显著提高效率，这将有助于改进光伏技术。重要的是，在实现这一目标的同时，不会对成本或副组件造成任何明显的负担，同时还能显著减少水的浪费。我们的方法有可能扩展到其他工业喷雾冷却应用中，即使用有机溶剂而不是水作为冷却液。此外，原味形成多孔水凝胶涂层的方法还能为许多其他与水有关的领域带来好处，包括农业、环境和生物医学应用。
【文章信息】
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.016
文章供稿 | 邹睿俊
责任编辑 | 高嘉璐
