摘要

為滿足儲(chǔ)能領(lǐng)域不同應(yīng)用場景對(duì)超薄柔性相變材料的精細(xì)化開發(fā)需求，解決十水硫酸鈉(SSD)基相變材料過冷度大、相分離、易泄漏的固有缺陷，以及突破超薄水凝膠制備中表面張力大、鋪展性差、易成孔的工藝瓶頸，本研究采用原位溶膠-凝膠法構(gòu)建聚丙烯酸鈉/海藻酸鈣/十水硫酸鈉(PAAS/CA/SSD)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，開展可廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷領(lǐng)域的十水硫酸鈉水合鹽凝膠材料配方優(yōu)化、性能調(diào)控及超薄成型關(guān)鍵技術(shù)研究。

結(jié)果表明，PAAS質(zhì)量含量10%的PA-10樣品綜合性能最優(yōu)，其相變溫度31.88℃、相變焓119.7 J/g，分解溫度88.81℃、分解焓913.5 J/g，結(jié)晶態(tài)拉伸強(qiáng)度0.29 MPa、斷裂伸長率16%，熱導(dǎo)率維持在0.82 W/(m·K)以上，兼具剛度與柔韌性且無泄漏，適配儲(chǔ)能裝置的材料性能要求；通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%六偏磷酸鈉(SHMP)與6%硼砂協(xié)同調(diào)控，將SSD過冷度降至接近0℃，顯著提升相變可控性，解決了材料工程化應(yīng)用的核心性能問題；為解決超薄水合鹽的成型難題，引入杜邦FS-3100表面活性劑調(diào)控表面張力，通過實(shí)驗(yàn)確定最佳添加量為1‰，使水凝膠在硅膠模具表面的接觸角由111.1°降至42.2°，成功制備出1 mm厚、無孔洞、厚度均勻的超薄水凝膠，突破了超薄相變水凝膠的成型工藝瓶頸。

性能測試顯示，表面活性劑僅使凝膠網(wǎng)絡(luò)輕微松散，其力學(xué)性能仍優(yōu)于傳統(tǒng)壓制法制備樣品，且未顯著影響材料熱性能，相變焓與分解焓基本保持穩(wěn)定。本研究制備的超薄SSD基水合鹽凝膠材料的相變溫度與柔性特點(diǎn)適配人體熱管理、鋰離子電池?zé)峁芾砑盁崾Э胤雷o(hù)等儲(chǔ)能場景，為無機(jī)水合鹽中低溫儲(chǔ)能材料的輕薄化開發(fā)提供新路徑，也為儲(chǔ)能裝置的微型化、柔性化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)支撐。

能源危機(jī)引發(fā)全球?qū)稍偕茉撮_發(fā)與利用的高度關(guān)注，相變材料(PCMs)作為高效熱能儲(chǔ)存與調(diào)控的核心材料，能有效解決太陽能、風(fēng)能等可再生能源的時(shí)空分布不均問題，同時(shí)在工業(yè)余熱回收、建筑節(jié)能、電子設(shè)備溫控等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)熱能的高效利用，成為儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷領(lǐng)域的研究核心。Na2SO4·10H2O(SSD)相變溫度約為32.4℃，是一種典型的中低溫?zé)o機(jī)水合鹽相變材料，因其高潛熱值(約254 J/g)、適宜的相變溫度(約32.4℃)以及低廉的成本，在建筑節(jié)能、人體熱管理及電子設(shè)備溫控等中低溫儲(chǔ)熱領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢。

然而，SSD在實(shí)際應(yīng)用中長期受制于過冷度大、相分離嚴(yán)重以及固液相變伴隨的液態(tài)泄漏等缺陷，盡管添加成核劑和增稠劑在一定程度上能改善過冷和相分離問題，但封裝技術(shù)仍是解決泄漏問題的關(guān)鍵。在水合鹽的眾多封裝手段中(如多孔吸附、相變微膠囊等)，水凝膠封裝技術(shù)因其親水性強(qiáng)、水合鹽負(fù)載率高、熱穩(wěn)定性好且制備工藝簡單，成為近期的研究熱點(diǎn)。雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠作為其中的佼佼者，利用其優(yōu)異的親水性和堅(jiān)韌的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠有效封裝熔融的水合鹽并抑制其泄漏與分離，是一種極具前景的封裝策略。

目前學(xué)者對(duì)水合鹽凝膠在實(shí)際應(yīng)用中過冷度大、易相分離和易泄漏問題的研究已經(jīng)較為充分。盡管塊狀復(fù)合相變水凝膠的研究已取得顯著進(jìn)展，但隨著當(dāng)前儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷領(lǐng)域的研究與應(yīng)用正朝著材料功能化、形態(tài)輕薄化、裝置微型化的方向發(fā)展，不同應(yīng)用場景對(duì)相變材料的形態(tài)與性能提出了精細(xì)化需求：在鋰離子電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域，新能源汽車與電化學(xué)儲(chǔ)能電站的快速發(fā)展對(duì)電池溫控系統(tǒng)的輕量化、柔性化要求日益提升，超薄相變薄膜(≤1 mm)可直接貼合電池極片與模組，實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳導(dǎo)與精準(zhǔn)調(diào)控，解決電池充放電過程中的局部熱點(diǎn)問題；在人體熱管理領(lǐng)域，可穿戴智能設(shè)備、溫控服裝的商業(yè)化推廣要求相變材料兼具柔性、超薄性與親膚性，傳統(tǒng)塊狀相變材料無法滿足穿戴舒適性與熱響應(yīng)快速性需求；在建筑節(jié)能與電子設(shè)備溫控領(lǐng)域，被動(dòng)式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、微型芯片的散熱需求同樣推動(dòng)著相變材料向超薄均質(zhì)薄膜形態(tài)升級(jí)，成為儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷裝置與系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，現(xiàn)有研究在從“塊體材料”向“薄膜材料”的形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，遭遇了嚴(yán)峻的制備工藝挑戰(zhàn)。這一尺度的縮減并非簡單的幾何變化，而是進(jìn)入了表面力主導(dǎo)的物理機(jī)制范疇。在低厚度維度下，水凝膠前驅(qū)液的高表面張力特性成為制備均質(zhì)薄膜的巨大障礙，導(dǎo)致了一系列嚴(yán)重的工藝痛點(diǎn)，而這些痛點(diǎn)在以往的文獻(xiàn)中往往被忽視或分析不足。

首先，潤濕性與鋪展難題是低厚度制備中的首要熱力學(xué)屏障。十水硫酸鈉等無機(jī)鹽的高濃度存在，通過吉布斯吸附效應(yīng)顯著提升了水凝膠前驅(qū)液的表面張力。當(dāng)此類高表面能流體接觸到為了便于脫模而常采用的低表面能模具(如硅膠或聚四氟乙烯)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的接觸角和負(fù)的鋪展系數(shù)。這意味著流體在熱力學(xué)上傾向于收縮成液滴而非鋪展成膜，導(dǎo)致宏觀形態(tài)上的厚度極不均勻甚至形成孔洞缺陷。這些孔洞和厚度不均不僅破壞了材料的機(jī)械完整性，更在熱學(xué)上構(gòu)成了致命缺陷——一個(gè)是空氣隙作為熱不良導(dǎo)體，會(huì)顯著增加接觸熱阻；另一個(gè)就是孔洞所在位置無相變材料，不能及時(shí)地儲(chǔ)存器件發(fā)熱的熱量。由此可見，相變水凝膠材料中孔洞的存在會(huì)導(dǎo)致其在電池?zé)峁芾砘蛘咝酒岬雀邿崃髅芏葢?yīng)用場景中出現(xiàn)局部熱點(diǎn)問題，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全。

綜上，水凝膠在低厚度制備下因表面張力效應(yīng)引發(fā)的均勻性差、易產(chǎn)生孔洞及傳質(zhì)不均等問題，是其在精密熱管理領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。深入剖析這些缺陷產(chǎn)生的物理化學(xué)機(jī)制，并提出有效的表面張力調(diào)控策略，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能超薄相變復(fù)合材料的制備具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用意義。本研究將結(jié)合界面熱力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)探討超薄PAAS/CA/SSD水凝膠制備過程中的形態(tài)不穩(wěn)定性機(jī)理，并論證通過表面活性劑調(diào)控表面張力以消除缺陷、提升成膜質(zhì)量的可行性。