固-液相变材料（PCMs）作为一类典型的潜热储能材料，具有储热密度大、温度波动小以及价格低廉等优势，在太阳能利用、热冷存储实现削峰填谷、环境温度管理等方面发挥着重要作用。然而，固-液PCMs具有熔融流动性，其储能密度、形状稳定性、导热性与力学性能往往难以兼顾。如何通过简便的高分子聚合策略以及有效的网络结构设计来克服固-液PCMs的这些难题，具有重要的研究意义。
针对上述问题，四川大学石玲英团队在形状稳定的复合PCMs的封装网络结构设计、热性能、力学性能以及温度管理等功能性应用方面取得了系列研究进展，先后开发了水合盐/聚丙烯酰胺相变有机水凝胶（ACS Applied Materials & Interfaces 2021, 13 (18), 21810-21821）、PEG/多级多孔碳复合PCMs（Chemical Engineering Journal 2022, 431,134206）、聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸十八酯）/PEG（脂肪酸、脂肪醇）双相相变有机凝胶（Chemical Engineering Journal 2023, 468, 143495）等性能优异的相变复合材料。
近期，该团队受耐盐动/植物在盐度环境中的吸水行为和“Hofmeister”理论的启发，通过亲水性单体在熔融盐水合物中的原位聚合，制备了高度稳定的相变凝胶（PCSG）（图1）,发展了chaotropic 离子类型水合盐相变材料的普适性形状稳定性策略。通过密度泛函理论、拉曼光谱和红外光谱分析揭示了离子、水和聚合物链之间的相互作用（图2）。所制备的PCSG具有适宜的Tm（≈20-26 oC）和高潜热（≈216.5 J g-1）（图3），可将40 oC的加热物体快速冷却至35 oC（t ≤ 100 s），适用于高效安全的人体温度管理（图5）。伴随着盐水合物的熔化/结晶相变，PCSG可在柔性（可变形）和刚性状态之间自由切换，并实现附着力增强（图4）。在熔融态和晶态之间还具有光学透明度切换，因此还可以实现具有合适昼夜温差环境下的节能阳光房的温度管理（图6），在白天，PCSG通过吸热熔化来缓解升温，同时不会阻碍光线通过；夜间，结晶引起的热量释放实现了保温，凝胶发生不透明转变可保护用户隐私。在-18 oC的极寒地区，PCSGs还具有抗冻和阻冰性能。鉴于该方法的通用性、可用盐水合物和单体的丰富来源与低成本、以及优异的热性能和机械性能，该研究为进一步系统探索相变凝胶在热管理、智能窗户和阻冰涂层中的应用提供一条有趣的途径。
图1. 高度稳定的PCSG的设计与制备
图2. PAH水凝胶和PCSG体系中相互作用的理论和实验分析
图3. PCSG体系的热性能和热稳定性研究
图4. PCSG的机械性能和剪切粘附性能研究
图5. PCSG的人体温度管理应用
图6. PCSG的阳光房热管理和阻冰涂层应用
该工作以“Chaotropic Ions Mediated Polymer Gelation for Thermal Management” 为题发表在《Advanced Science》上。文章第一作者是四川大学博士研究生尹辰筱，通讯作者为四川大学石玲英副教授，该工作还得到四川大学杨科珂教授与李乙文教授的指导和大力支持。感谢国家自然科学基金委（52273024）、和中央高校基本科研业务费以及高分子材料工程国家重点实验室（sklpme2023-2-10）对该工作的资助。
原文链接：
http://doi.org/10.1002/advs.202405077
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