基于物理化学双交联的动态自修复相变材料DS-FCPCM的制备与性能研究

针对传统聚乙二醇(PEG)基聚氨酯相变材料(PCMs)存在的泄漏、导热系数低、结构不稳定等问题，研究人员通过物理吸附与化学键合相结合的方法，制备了具有高导热性(0.5023 W/(m·K))、结构稳定性和自修复效率(89.14%)的双支架柔性复合相变材料(DS-FCPCM)。该材料通过动态肟-氨基甲酸酯键实现自修复功能，经200次热循环后仍保持稳定储热能力，为可持续能源存储材料开发提供了新思路。

　　

随着全球能源需求持续增长和资源短缺问题日益严峻，发展高效储能技术已成为实现可持续发展的重要途径。相变材料(PCMs)凭借高储能密度和稳定热调控能力，在热管理领域展现出独特优势，广泛应用于太阳能储热、电池热管理等领域。然而，以聚乙二醇(PEG)为代表的有机固-液相变材料存在导热系数低、相变泄漏、结构脆性等固有缺陷，严重制约其实际应用。

传统物理封装技术虽能提升导热性，但常导致机械稳定性下降；而化学封装材料如聚氨酯虽能解决泄漏问题，却面临导热性能不足的挑战。更棘手的是，现有材料一旦发生结构损伤便难以修复，造成资源浪费和环境污染。如何开发兼具高导热性、结构稳定性和自修复功能的复合相变材料，成为当前能源材料领域的重大科学难题。

针对这一系列挑战，研究人员创新性地设计出物理化学双交联的柔性复合相变材料(DS-FCPCM)。该研究通过构建膨胀石墨-二氧化硅溶胶(EG-silica sol)物理吸附支架和动态肟-氨基甲酸酯键(oxime-carbamate bonds)化学交联网络，实现了材料性能的协同优化。研究显示，DS-FCPCM的导热系数达到纯PEG的1.81倍，断裂应力12.9 MPa，伸长率954%，且能在损伤后实现89.14%的自修复效率。这些突破性进展为开发可重复使用的环保储能材料提供了全新思路，相关成果发表在《Journal of Energy Storage》。

关键技术方法包括：1) 通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)表征材料化学结构；2) 采用差示扫描量热法(DSC)测定相变焓(91.724 J/g)；3) 热重分析(TG)评估热稳定性；4) 热常数分析仪测量导热系数(0.5023 W/(m·K))；5) 加速热循环测试(200次)验证耐久性。

DS骨架结构
通过调控二氧化硅溶胶/EG复合比例优化导热性能。当二者质量比为1:1时(DS2)，导热系数达0.5023 W/(m·K)，较纯PEG提升81%。FTIR分析证实硅羟基与异氰酸酯基团形成化学键，建立了EG层间传热和二氧化硅溶胶桥接网络的双重导热路径。

材料表征
DSC测试显示DS-FCPCM相变焓为91.724 J/g，接近纯PEG(98.5 J/g)，表明双支架结构对储能容量影响极小。TG曲线显示材料在300°C前保持稳定，优于传统聚氨酯PCMs。力学测试揭示其独特的"刚柔并济"特性——高断裂应力(12.9 MPa)与超高延展性(954%)并存。

自修复性能
动态肟-氨基甲酸酯键赋予材料卓越的自修复能力。70°C热处理2小时后，划痕完全消失，修复效率达89.14%。分子动力学模拟表明，该动态键在加热时发生可逆断裂/重组，实现分子链的重新缠结。

热调控应用
实际测试中，DS-FCPCM样品的热响应速率是纯PEG的2.11倍，系统最大温差达8.1°C。这种快速响应特性使其特别适合电子器件等需要精确温控的场景。

这项研究开创性地将动态共价化学与多尺度物理封装相结合，解决了相变材料领域长期存在的"高导热-强机械-可修复"难以兼顾的困境。DS-FCPCM展现的0.5023 W/(m·K)导热系数、91.724 J/g相变焓和89.14%自修复效率等性能参数，标志着聚氨酯基相变材料性能的重大突破。更重要的是，该材料200次热循环后仍保持稳定的储热能力，且修复过程无需外加催化剂，显著降低了维护成本。这些特性使其在智能调温纺织品、动力电池热管理等领域具有广阔应用前景，为发展符合绿色低碳理念的可持续储能材料提供了重要技术支撑。

研究还揭示了动态键类型选择与导热网络构建的普适性规律：肟-氨基甲酸酯键因其高可逆性和化学稳定性特别适合相变材料；而EG与二氧化硅溶胶的"刚柔互补"结构为设计高导热支架提供了新范式。这些发现不仅适用于聚氨酯PCMs，也可拓展至其他聚合物基储能材料的开发，具有重要的科学指导价值。未来研究可进一步探索不同动态键组合对材料循环稳定性的影响，以及工业化规模生产的可行性，推动该技术从实验室走向实际应用。