來源 | Small

01

背景介紹

相變材料具有儲存和釋放潛熱的功能，在熱管理領域具有廣闊的應用前景。然而，傳統的相變材料只能一次性釋放完畢所有存儲的能量，而不能像電化學電池一樣能夠按需啟動和停止能量釋放能量，從而造成了極大的不方便和能源浪費。在這種情況下，迫切需要能夠按需啟動和停止能量釋放的間歇性放熱相變材料，以滿足不同應用的不同需求。

02

成果掠影

針對以上問題，東北林業大學材料學院王成毓教授和楊海月教授團隊提出了一種間歇性放熱的水合鹽相變材料：將熔融的三水合乙酸鈉與丙烯酸(AA)/丙烯酰胺(AM)聚合物前體整合，然后熱引發聚合形成鹽凝膠。由于高能量勢壘，過飽和鹽溶液難以成核;因此，它可以長時間保持過冷態并儲存能量。與種子或其他異物接觸會破壞過飽和鹽溶液的亞穩態，促進形成晶核和結晶。用沾水的剪刀可以中止結晶放熱。此外， Fe³⁺通過金屬配位鍵誘導強動態可逆非共價交聯從而賦予鹽凝膠良好的自愈合性能使其可回收并延長使用壽命。該研究以“Intermittent Exothermic and Self-Healing Hydrated Salt Gels for Advanced Thermal Management of Underfloor Radiant Heating System”為題發表于《Small》。

03

圖文解讀

圖1說明在過冷態和結晶態之間存在一個高的成核能壘，兩種狀態都處于能量最小值。這種能量勢壘可以通過誘導二次成核(例如，通過觸摸晶種或異物)來克服。一旦能壘被克服，過冷的相變材料釋放所有儲存的能量，并過渡到穩定的晶體狀態，這不滿足間歇性放熱相變材料的要求。

圖 1 a）勢能隨反應途徑的示意圖；每次結晶開始時都必須克服一個能壘。舉例說明了三次間歇放熱過程。b）相變材料間歇結晶過程示意圖。

然而，研究發現：1）浸水異物接觸過冷鹽凝膠時，不能誘導其結晶。這是由于水的存在，與過冷鹽凝膠接觸的異物部分由過飽和區變為富水不飽和區，無法誘導結晶。ii)只有凝膠接觸到異物的部分才會成核，然后晶體生長。結晶區的顏色比非結晶區的顏色淺。也就是說，在結晶區和非結晶區之間有明顯的分界線，并且分界線隨著晶體的生長而向前移動。因此，可以使用沾水剪刀將結晶區和非晶態區分開，而不會重新誘導成核，這意味著溶質分子進入晶體表面的路徑中斷，從而中止了晶體的生長。經過多次間歇放熱過程，三水合乙酸鈉完全結晶，鹽凝膠因反復切割而被破壞。為了延長材料的使用壽命并保持其原有性能，引入 Fe³⁺離子使材料自愈，這是通過 Fe³⁺誘導的金屬配位鍵形成的強動態可逆非共價交聯來實現的。一旦完全結晶的鹽凝膠塊融化并相互接觸，動態可逆非共價交聯會促進快速自愈從而使鹽凝膠可以重復使用。

圖2說明了用照片和紅外熱成像說明了間歇放熱的放熱過程（以間歇放熱三次為例）。

圖 2 a2）過冷鹽凝膠在不同位置的溫度分布曲線（即圖a1中標記的黑點，兩點之間的距離為5mm）。b2）間歇放熱過冷鹽凝膠在不同位置的最高溫度曲線圖(即圖b1中黑色的點，兩點之間的距離為5mm）。c）過冷鹽凝膠間歇放熱過程的數字和紅外熱成像圖。（為了便于移動和防止不必要的粘連，鹽凝膠在這項工作中都被放置在聚四氟乙烯薄膜上。）

圖3說明三水合乙酸鈉凝膠具有良好的自愈合性能。

圖 3 鹽凝膠融化后的自愈特性。a)照片顯示了被破壞成三塊的凝膠在自愈合后承受高拉伸變形而不破損。b)自愈鹽凝膠的光學顯微鏡圖像，顯示自愈合在10分鐘后幾乎完全自愈。c)凝膠在自愈合0-5次后的結晶速度(自愈合過程包括將凝膠加熱到熔化后慢慢冷卻到室溫，在室溫下保存5min)。過冷鹽凝膠未被割開d)和被割開并自愈合e)后的結晶過程的光學顯微鏡圖像。拉伸作用下鹽凝膠具有(f) 0, g) 1, h) 2個傷口自愈合后的拉伸應力-應變曲線及照片。鹽凝膠的應力-應變曲線，j)強度，k)模量隨凝膠自愈次數的變化(0-5次；自愈合過程包括將凝膠加熱到熔化后慢慢冷卻到室溫，在室溫下保存5min)。

圖4是將水合鹽凝膠應用于地板輻射采暖系統中，實現了四種間歇放熱。結果表明，水合鹽凝膠在地板輻射采暖系統中具有廣闊的應用前景。

圖 4 a)地板輻射采暖系統試驗模型。b)地板下輻射采暖系統配置：1)裝飾層(木地板)；

2）相變材料管道（水合鹽凝膠的三條平行管道），3）硅橡膠加熱片，4）保溫層（玻璃纖維保溫板），5)混凝土板。地板輻射采暖系統中3條并聯相變材料管線可實現4種不同的間歇放熱順序：一次放出全部熱量（c1）；連續放出間歇熱（間歇熱放出三次）（d1）；間歇放熱兩次(e1, f1)。不同顏色的管道代表不同的放熱時間，放熱過程的順序由顏色表示（顏色較淺表示在顏色較深之前放熱）。間歇性放熱是通過用浸水剪刀切割黑色部分（稱為閥門）來實現的。c2, d2, e2, f2)四個序列對應的模型溫度曲線。

END

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