摘要

为满足储能领域不同应用场景对超薄柔性相变材料的精细化开发需求，解决十水硫酸钠(SSD)基相变材料过冷度大、相分离、易泄漏的固有缺陷，以及突破超薄水凝胶制备中表面张力大、铺展性差、易成孔的工艺瓶颈，本研究采用原位溶胶-凝胶法构建聚丙烯酸钠/海藻酸钙/十水硫酸钠(PAAS/CA/SSD)双网络水凝胶，开展可广泛应用于储热储冷领域的十水硫酸钠水合盐凝胶材料配方优化、性能调控及超薄成型关键技术研究。

结果表明，PAAS质量含量10%的PA-10样品综合性能最优，其相变温度31.88℃、相变焓119.7 J/g，分解温度88.81℃、分解焓913.5 J/g，结晶态拉伸强度0.29 MPa、断裂伸长率16%，热导率维持在0.82 W/(m·K)以上，兼具刚度与柔韧性且无泄漏，适配储能装置的材料性能要求；通过质量分数1%六偏磷酸钠(SHMP)与6%硼砂协同调控，将SSD过冷度降至接近0℃，显著提升相变可控性，解决了材料工程化应用的核心性能问题；为解决超薄水合盐的成型难题，引入杜邦FS-3100表面活性剂调控表面张力，通过实验确定最佳添加量为1‰，使水凝胶在硅胶模具表面的接触角由111.1°降至42.2°，成功制备出1 mm厚、无孔洞、厚度均匀的超薄水凝胶，突破了超薄相变水凝胶的成型工艺瓶颈。

性能测试显示，表面活性剂仅使凝胶网络轻微松散，其力学性能仍优于传统压制法制备样品，且未显著影响材料热性能，相变焓与分解焓基本保持稳定。本研究制备的超薄SSD基水合盐凝胶材料的相变温度与柔性特点适配人体热管理、锂离子电池热管理及热失控防护等储能场景，为无机水合盐中低温储能材料的轻薄化开发提供新路径，也为储能装置的微型化、柔性化设计及系统运行优化提供了实验依据和技术支撑。

能源危机引发全球对可再生能源开发与利用的高度关注，相变材料(PCMs)作为高效热能储存与调控的核心材料，能有效解决太阳能、风能等可再生能源的时空分布不均问题，同时在工业余热回收、建筑节能、电子设备温控等领域实现热能的高效利用，成为储热储冷领域的研究核心。Na2SO4·10H2O(SSD)相变温度约为32.4℃，是一种典型的中低温无机水合盐相变材料，因其高潜热值(约254 J/g)、适宜的相变温度(约32.4℃)以及低廉的成本，在建筑节能、人体热管理及电子设备温控等中低温储热领域展现出不可替代的优势。

然而，SSD在实际应用中长期受制于过冷度大、相分离严重以及固液相变伴随的液态泄漏等缺陷，尽管添加成核剂和增稠剂在一定程度上能改善过冷和相分离问题，但封装技术仍是解决泄漏问题的关键。在水合盐的众多封装手段中(如多孔吸附、相变微胶囊等)，水凝胶封装技术因其亲水性强、水合盐负载率高、热稳定性好且制备工艺简单，成为近期的研究热点。双网络水凝胶作为其中的佼佼者，利用其优异的亲水性和坚韧的三维网络结构，能够有效封装熔融的水合盐并抑制其泄漏与分离，是一种极具前景的封装策略。

目前学者对水合盐凝胶在实际应用中过冷度大、易相分离和易泄漏问题的研究已经较为充分。尽管块状复合相变水凝胶的研究已取得显著进展，但随着当前储热储冷领域的研究与应用正朝着材料功能化、形态轻薄化、装置微型化的方向发展，不同应用场景对相变材料的形态与性能提出了精细化需求：在锂离子电池热管理领域，新能源汽车与电化学储能电站的快速发展对电池温控系统的轻量化、柔性化要求日益提升，超薄相变薄膜(≤1 mm)可直接贴合电池极片与模组，实现热量的快速传导与精准调控，解决电池充放电过程中的局部热点问题；在人体热管理领域，可穿戴智能设备、温控服装的商业化推广要求相变材料兼具柔性、超薄性与亲肤性，传统块状相变材料无法满足穿戴舒适性与热响应快速性需求；在建筑节能与电子设备温控领域，被动式建筑围护结构、微型芯片的散热需求同样推动着相变材料向超薄均质薄膜形态升级，成为储热储冷装置与系统优化设计的关键环节。然而，现有研究在从“块体材料”向“薄膜材料”的形态转化过程中，遭遇了严峻的制备工艺挑战。这一尺度的缩减并非简单的几何变化，而是进入了表面力主导的物理机制范畴。在低厚度维度下，水凝胶前驱液的高表面张力特性成为制备均质薄膜的巨大障碍，导致了一系列严重的工艺痛点，而这些痛点在以往的文献中往往被忽视或分析不足。

首先，润湿性与铺展难题是低厚度制备中的首要热力学屏障。十水硫酸钠等无机盐的高浓度存在，通过吉布斯吸附效应显著提升了水凝胶前驱液的表面张力。当此类高表面能流体接触到为了便于脱模而常采用的低表面能模具(如硅胶或聚四氟乙烯)时，会产生极大的接触角和负的铺展系数。这意味着流体在热力学上倾向于收缩成液滴而非铺展成膜，导致宏观形态上的厚度极不均匀甚至形成孔洞缺陷。这些孔洞和厚度不均不仅破坏了材料的机械完整性，更在热学上构成了致命缺陷——一个是空气隙作为热不良导体，会显著增加接触热阻；另一个就是孔洞所在位置无相变材料，不能及时地储存器件发热的热量。由此可见，相变水凝胶材料中孔洞的存在会导致其在电池热管理或者芯片散热等高热流密度应用场景中出现局部热点问题，严重威胁系统安全。

综上，水凝胶在低厚度制备下因表面张力效应引发的均匀性差、易产生孔洞及传质不均等问题，是其在精密热管理领域应用的关键瓶颈。深入剖析这些缺陷产生的物理化学机制，并提出有效的表面张力调控策略，对于实现高性能超薄相变复合材料的制备具有重要的学术价值和应用意义。本研究将结合界面热力学理论与实验，系统探讨超薄PAAS/CA/SSD水凝胶制备过程中的形态不稳定性机理，并论证通过表面活性剂调控表面张力以消除缺陷、提升成膜质量的可行性。