摘要

為滿足儲能領域不同應用場景對超薄柔性相變材料的精細化開發需求，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-凝膠法構建聚丙烯酸鈉/海藻酸鈣/十水硫酸鈉(PAAS/CA/SSD)雙網絡水凝膠，開展可廣泛應用于儲熱儲冷領域的十水硫酸鈉水合鹽凝膠材料配方優化、性能調控及超薄成型關鍵技術研究。

結果表明，PAAS質量含量10%的PA-10樣品綜合性能最優，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，結晶態拉伸強度0.29 MPa、斷裂伸長率16%，熱導率維持在0.82 W/(m·K)以上，兼具剛度與柔韌性且無泄漏，適配儲能裝置的材料性能要求；通過質量分數1%六偏磷酸鈉(SHMP)與6%硼砂協同調控，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表面活性劑調控表面張力，通過實驗確定最佳添加量為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絡輕微松散，其力學性能仍優于傳統壓制法制備樣品，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適配人體熱管理、鋰離子電池熱管理及熱失控防護等儲能場景，為無機水合鹽中低溫儲能材料的輕薄化開發提供新路徑，也為儲能裝置的微型化、柔性化設計及系統運行優化提供了實驗依據和技術支撐。

能源危機引發全球對可再生能源開發與利用的高度關注，相變材料(PCMs)作為高效熱能儲存與調控的核心材料，能有效解決太陽能、風能等可再生能源的時空分布不均問題，同時在工業余熱回收、建筑節能、電子設備溫控等領域實現熱能的高效利用，成為儲熱儲冷領域的研究核心。Na2SO4·10H2O(SSD)相變溫度約為32.4℃，是一種典型的中低溫無機水合鹽相變材料，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，在建筑節能、人體熱管理及電子設備溫控等中低溫儲熱領域展現出不可替代的優勢。

然而，SSD在實際應用中長期受制于過冷度大、相分離嚴重以及固液相變伴隨的液態泄漏等缺陷，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，但封裝技術仍是解決泄漏問題的關鍵。在水合鹽的眾多封裝手段中(如多孔吸附、相變微膠囊等)，水凝膠封裝技術因其親水性強、水合鹽負載率高、熱穩定性好且制備工藝簡單，成為近期的研究熱點。雙網絡水凝膠作為其中的佼佼者，利用其優異的親水性和堅韌的三維網絡結構，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。

目前學者對水合鹽凝膠在實際應用中過冷度大、易相分離和易泄漏問題的研究已經較為充分。盡管塊狀復合相變水凝膠的研究已取得顯著進展，但隨著當前儲熱儲冷領域的研究與應用正朝著材料功能化、形態輕薄化、裝置微型化的方向發展，不同應用場景對相變材料的形態與性能提出了精細化需求：在鋰離子電池熱管理領域，新能源汽車與電化學儲能電站的快速發展對電池溫控系統的輕量化、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，實現熱量的快速傳導與精準調控，解決電池充放電過程中的局部熱點問題；在人體熱管理領域，可穿戴智能設備、溫控服裝的商業化推廣要求相變材料兼具柔性、超薄性與親膚性，傳統塊狀相變材料無法滿足穿戴舒適性與熱響應快速性需求；在建筑節能與電子設備溫控領域，被動式建筑圍護結構、微型芯片的散熱需求同樣推動著相變材料向超薄均質薄膜形態升級，成為儲熱儲冷裝置與系統優化設計的關鍵環節。然而，現有研究在從“塊體材料”向“薄膜材料”的形態轉化過程中，遭遇了嚴峻的制備工藝挑戰。這一尺度的縮減并非簡單的幾何變化，而是進入了表面力主導的物理機制范疇。在低厚度維度下，水凝膠前驅液的高表面張力特性成為制備均質薄膜的巨大障礙，導致了一系列嚴重的工藝痛點，而這些痛點在以往的文獻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屏障。十水硫酸鈉等無機鹽的高濃度存在，通過吉布斯吸附效應顯著提升了水凝膠前驅液的表面張力。當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，會產生極大的接觸角和負的鋪展系數。這意味著流體在熱力學上傾向于收縮成液滴而非鋪展成膜，導致宏觀形態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械完整性，更在熱學上構成了致命缺陷——一個是空氣隙作為熱不良導體，會顯著增加接觸熱阻；另一個就是孔洞所在位置無相變材料，不能及時地儲存器件發熱的熱量。由此可見，相變水凝膠材料中孔洞的存在會導致其在電池熱管理或者芯片散熱等高熱流密度應用場景中出現局部熱點問題，嚴重威脅系統安全。

綜上，水凝膠在低厚度制備下因表面張力效應引發的均勻性差、易產生孔洞及傳質不均等問題，是其在精密熱管理領域應用的關鍵瓶頸。深入剖析這些缺陷產生的物理化學機制，并提出有效的表面張力調控策略，對于實現高性能超薄相變復合材料的制備具有重要的學術價值和應用意義。本研究將結合界面熱力學理論與實驗，系統探討超薄PAAS/CA/SSD水凝膠制備過程中的形態不穩定性機理，并論證通過表面活性劑調控表面張力以消除缺陷、提升成膜質量的可行性。