2.3 微觀形貌結(jié)構(gòu)分析

通過使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察PAAS/CA/SSD水凝膠的圖像，本研究從微觀層面探討了雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠對SSD的包覆效果。圖2(a)~(c)是PA-10水凝膠的SEM圖像，可以明顯地看出聚丙烯酸鈉和海藻酸鈣構(gòu)成的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并且可以看到SSD晶體被嵌在了網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)形成的孔隙中，而且孔隙規(guī)則，穩(wěn)定。圖2(d)~(f)展示的是Pure SSD的SEM圖像，可以明顯地看出，顯示出的是單一的晶體結(jié)構(gòu)，粒子形狀規(guī)則，邊界清晰，表面相對平滑。晶體的形狀為規(guī)則的多面體，這是典型的無機(jī)晶體結(jié)晶行為的體現(xiàn)。圖2(g)~(i)是加了1‰表面活性劑后的SEM圖像，水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)變得疏松和不規(guī)則。孔隙增大，且孔隙之間的連通性顯著提高，表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的網(wǎng)狀特征。因?yàn)楸砻婊钚詣┓肿釉谀z網(wǎng)絡(luò)中的分布可能會干擾PAAS和CA鏈段之間的物理交聯(lián)點(diǎn)，或者改變水合鹽晶體在網(wǎng)絡(luò)中的成核均勻性，結(jié)構(gòu)的整體連續(xù)性和穩(wěn)定性下降，從而導(dǎo)致宏觀拉伸強(qiáng)度的回落。

圖2 不同材料的SEM圖像：(a)~(c) PA-10的SEM圖像；(d)~(f) Pure SSD的SEM圖像；(g)~(i) PA-10加1‰表面活性劑后的SEM圖像

2.4 表面活性劑對拉伸性能和相變特性的影響

1 mm低厚度規(guī)格是水合鹽凝膠達(dá)成高效熱響應(yīng)特性與拓寬應(yīng)用場景的核心形態(tài)需求，而凝膠體系固有的高表面張力特性，則是限制其成型精度、力學(xué)性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵限制性因素。圖3清晰呈現(xiàn)了在1 mm厚度條件下，表面活性劑添加對水凝膠性能的顯著優(yōu)化效果：未添加表面活性劑時(shí)，凝膠液體因表面張力過大(硅膠模具表面接觸角達(dá)111.1°)，在1 mm淺槽模具中難以均勻鋪展，僅通過平板壓制法制備的樣品存在大量貫穿性孔洞，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性遭到嚴(yán)重破壞，其拉伸強(qiáng)度不足0.04 MPa，斷裂伸長率處于極低水平，無法滿足實(shí)際應(yīng)用對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基本要求。

圖3 表面存在孔洞和加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑的1 mm水凝膠樣品拉伸性能測試

隨著表面活性劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1‰增至5‰，凝膠表面張力得到有效調(diào)控(接觸角最低降至42.2°)，1 mm厚度下的鋪展性顯著改善，孔洞缺陷大幅減少，材料結(jié)構(gòu)均勻性明顯提升，對應(yīng)的拉伸性能呈現(xiàn)出規(guī)律性優(yōu)化特征。其中，1‰的表面活性劑添加量展現(xiàn)出最優(yōu)效果，該條件下1 mm厚水凝膠的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率均達(dá)到峰值，相較于未添加表面活性劑的孔洞樣品實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，充分證明表面活性劑能夠改善凝膠在模具表面的潤濕與鋪展行為，有效解決了1 mm超薄厚度下的成形難題，同時(shí)顯著提升了材料的力學(xué)性能穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步評估表面活性劑對材料儲熱性能的影響，對添加1‰表面活性劑前后的樣品進(jìn)行了DSC測試。如圖4所示，兩組樣品的DSC曲線基本吻合。在相變焓值方面，未添加與添加表面活性劑的樣品分別為119.7 J/g與121.1 J/g；分解焓值分別為913.5 J/g與946.4 J/g，差異均在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。結(jié)果表明，表面活性劑的引入未顯著改變SSD的化學(xué)結(jié)構(gòu)與相變行為，材料的儲熱能力與熱穩(wěn)定性得以保持。

圖4 添加1‰表面活性劑前后材料的DSC升溫曲線圖

3 結(jié) 論

本研究以儲熱儲冷領(lǐng)域不同應(yīng)用場景對超薄柔性相變材料的開發(fā)需求為導(dǎo)向，針對SSD基相變材料的性能缺陷及超薄水凝膠的成型工藝難題，開展了SSD基雙網(wǎng)絡(luò)水合鹽凝膠的制備、性能調(diào)控及超薄成型關(guān)鍵技術(shù)研究，旨在為儲熱儲冷材料的輕薄化開發(fā)、裝置微型化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)支撐，所得主要結(jié)論如下。

本研究成功制備了一種基于SSD的雙網(wǎng)絡(luò)水合鹽凝膠，為改善水凝膠在低厚度條件下的鋪展性能，通過引入表面活性劑有效調(diào)控其表面張力；在加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1‰表面活性劑后，水凝膠溶液在硅膠模具表面的接觸角由111.1°顯著降低至42.2°，證實(shí)其在模具表面潤濕性得到明顯改善，為制備均勻低厚度水凝膠提供了可行路徑。結(jié)構(gòu)表征與性能測試進(jìn)一步表明，表面活性劑的加入雖使雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)略有松散，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度一定程度下降，但與常規(guī)壓制工藝所獲樣品相比，其力學(xué)性能仍具顯著優(yōu)勢。此外，DSC測試結(jié)果顯示，添加表面活性劑后材料的相變焓與分解焓均未發(fā)生顯著變化，說明其熱性能保持穩(wěn)定，未受表面活性劑的改性影響。

本研究制備的SSD基超薄雙網(wǎng)絡(luò)水合鹽凝膠，適配人體熱管理、鋰離子電池?zé)峁芾砑盁崾Э胤雷o(hù)等多場景的儲能需求，為無機(jī)水合鹽中低溫儲熱儲冷材料的輕薄化開發(fā)提供了新的技術(shù)路徑。同時(shí)，本研究在相變材料配方優(yōu)化、過冷度定量調(diào)控、超薄成型表面張力調(diào)控等方面取得的研究進(jìn)展，也為儲熱儲冷裝置的微型化、柔性化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)參考，對推動中低溫儲熱儲冷技術(shù)的工程化應(yīng)用具有重要的實(shí)踐意義。