一种间歇放热相变材料，可用于地板辐射采暖系统的热管理

来源 | Small

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背景介绍

相变材料具有储存和释放潜热的功能，在热管理领域具有广阔的应用前景。然而，传统的相变材料只能一次性释放完毕所有存储的能量，而不能像电化学电池一样能够按需启动和停止能量释放能量，从而造成了极大的不方便和能源浪费。在这种情况下，迫切需要能够按需启动和停止能量释放的间歇性放热相变材料，以满足不同应用的不同需求。

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成果掠影

针对以上问题，东北林业大学材料学院王成毓教授和杨海月教授团队提出了一种间歇性放热的水合盐相变材料：将熔融的三水合乙酸钠与丙烯酸(AA)/丙烯酰胺(AM)聚合物前体整合，然后热引发聚合形成盐凝胶。由于高能量势垒，过饱和盐溶液难以成核;因此，它可以长时间保持过冷态并储存能量。与种子或其他异物接触会破坏过饱和盐溶液的亚稳态，促进形成晶核和结晶。用沾水的剪刀可以中止结晶放热。此外， Fe³⁺通过金属配位键诱导强动态可逆非共价交联从而赋予盐凝胶良好的自愈合性能使其可回收并延长使用寿命。该研究以“Intermittent Exothermic and Self-Healing Hydrated Salt Gels for Advanced Thermal Management of Underfloor Radiant Heating System”为题发表于《Small》。

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图文解读

图1说明在过冷态和结晶态之间存在一个高的成核能垒，两种状态都处于能量最小值。这种能量势垒可以通过诱导二次成核(例如，通过触摸晶种或异物)来克服。一旦能垒被克服，过冷的相变材料释放所有储存的能量，并过渡到稳定的晶体状态，这不满足间歇性放热相变材料的要求。

图 1 a）势能随反应途径的示意图；每次结晶开始时都必须克服一个能垒。举例说明了三次间歇放热过程。b）相变材料间歇结晶过程示意图。

然而，研究发现：1）浸水异物接触过冷盐凝胶时，不能诱导其结晶。这是由于水的存在，与过冷盐凝胶接触的异物部分由过饱和区变为富水不饱和区，无法诱导结晶。ii)只有凝胶接触到异物的部分才会成核，然后晶体生长。结晶区的颜色比非结晶区的颜色浅。也就是说，在结晶区和非结晶区之间有明显的分界线，并且分界线随着晶体的生长而向前移动。因此，可以使用沾水剪刀将结晶区和非晶态区分开，而不会重新诱导成核，这意味着溶质分子进入晶体表面的路径中断，从而中止了晶体的生长。经过多次间歇放热过程，三水合乙酸钠完全结晶，盐凝胶因反复切割而被破坏。为了延长材料的使用寿命并保持其原有性能，引入 Fe³⁺离子使材料自愈，这是通过 Fe³⁺诱导的金属配位键形成的强动态可逆非共价交联来实现的。一旦完全结晶的盐凝胶块融化并相互接触，动态可逆非共价交联会促进快速自愈从而使盐凝胶可以重复使用。

图2说明了用照片和红外热成像说明了间歇放热的放热过程（以间歇放热三次为例）。

图 2 a2）过冷盐凝胶在不同位置的温度分布曲线（即图a1中标记的黑点，两点之间的距离为5mm）。b2）间歇放热过冷盐凝胶在不同位置的最高温度曲线图(即图b1中黑色的点，两点之间的距离为5mm）。c）过冷盐凝胶间歇放热过程的数字和红外热成像图。（为了便于移动和防止不必要的粘连，盐凝胶在这项工作中都被放置在聚四氟乙烯薄膜上。）

图3说明三水合乙酸钠凝胶具有良好的自愈合性能。

图 3 盐凝胶融化后的自愈特性。a)照片显示了被破坏成三块的凝胶在自愈合后承受高拉伸变形而不破损。b)自愈盐凝胶的光学显微镜图像，显示自愈合在10分钟后几乎完全自愈。c)凝胶在自愈合0-5次后的结晶速度(自愈合过程包括将凝胶加热到熔化后慢慢冷却到室温，在室温下保存5min)。过冷盐凝胶未被割开d)和被割开并自愈合e)后的结晶过程的光学显微镜图像。拉伸作用下盐凝胶具有(f) 0, g) 1, h) 2个伤口自愈合后的拉伸应力-应变曲线及照片。盐凝胶的应力-应变曲线，j)强度，k)模量随凝胶自愈次数的变化(0-5次；自愈合过程包括将凝胶加热到熔化后慢慢冷却到室温，在室温下保存5min)。

图4是将水合盐凝胶应用于地板辐射采暖系统中，实现了四种间歇放热。结果表明，水合盐凝胶在地板辐射采暖系统中具有广阔的应用前景。

图 4 a)地板辐射采暖系统试验模型。b)地板下辐射采暖系统配置：1)装饰层(木地板)；

2）相变材料管道（水合盐凝胶的三条平行管道），3）硅橡胶加热片，4）保温层（玻璃纤维保温板），5)混凝土板。地板辐射采暖系统中3条并联相变材料管线可实现4种不同的间歇放热顺序：一次放出全部热量（c1）；连续放出间歇热（间歇热放出三次）（d1）；间歇放热两次(e1, f1)。不同颜色的管道代表不同的放热时间，放热过程的顺序由颜色表示（颜色较浅表示在颜色较深之前放热）。间歇性放热是通过用浸水剪刀切割黑色部分（称为阀门）来实现的。c2, d2, e2, f2)四个序列对应的模型温度曲线。

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