近日，生物质学院张超群团队在国际知名期刊Advanced Science（中科院一区Top期刊，影响因子14.1）在线发表题为“Breaking the Trade-Off of Mechanical Robustness and Energy Storage Capacity in Phase Change Materials Through a Molecular Design Strategy of Hard-Segment-Anchored/Side-Chain-Storage”的研究论文。该研究面向柔性热管理材料在可穿戴设备、个人热管理等领域的应用需求，提出了一种“硬段锚定/侧链储能”的聚氨酯相变材料分子设计策略，为构筑兼具高力学韧性、高储热能力和无泄漏特性的柔性相变材料提供了新思路。
相变材料能够在温度变化过程中通过可逆相变吸收或释放潜热，在建筑节能、电子器件热管理和人体热管理等领域具有重要应用前景。传统固-液相变材料在使用过程中容易发生泄漏，而固-固相变材料虽然具有较好的形状稳定性，但现有聚氨酯基固-固相变材料通常面临力学性能与储热容量难以兼顾的问题：提高相变组分含量有利于提升储热能力，却往往削弱材料力学性能；增强聚合物网络又可能降低相变焓。因此，如何在分子结构层面协调力学与储能，是发展高性能柔性相变材料的关键问题。
图1 “硬段锚定/侧链储能”聚氨酯相变材料的分子设计与储放热示意图
针对上述问题，团队提出了“硬段锚定/侧链储能”的分子策略，设计了一系列侧链型聚氨酯相变材料（SPU-BDOx）。该体系以含有可结晶C18烷基侧链的2,2'-(十八烷基亚氨基)二乙醇（SDEA）作为相变储能单元，以1,4-丁二醇（BDO）和六亚甲基二异氰酸酯（HDI）构筑强氢键作用的硬段结构。与传统主链型相变聚氨酯不同，该设计将相变储能单元从聚合物主链转移到侧链，使硬段结构主要承担力学增强和形状稳定作用，而C18侧链相对独立地结晶/熔融并实现潜热储存。通过这种力学调控单元与相变储能单元的分离，材料在保持固-固相变和无泄漏的同时，有效缓解了力学性能与储热能力之间的矛盾。
图2 SPU-BDOx的力学性能及调控机制
研究表明，通过分子结构调控，可以调节硬段密度、氢键作用和侧链结晶行为，从而实现材料力学与相变性能的协同优化。其中，优化样品SPU-BDO0.20表现出良好的综合性能：断裂伸长率超过600%，韧性达到26.9 MJ m?3，相变焓为51.1 J g?1，并在500次冷热循环后保持良好的相变储能能力和力学稳定性。研究表明，BDO/HDI硬段提供的氢键作用有助于提高材料强度和能量耗散能力，而C18侧链的可逆结晶/熔融赋予材料稳定的潜热储存与释放性能。在应用展示方面，团队将样品制备为静电纺丝纤维膜，并将其用于柔性热管理场景。实验结果显示，在加热条件下，SPU-BDO0.20纤维膜能够有效延缓温度升高，其表面温度较棉织物对照样低约4 ℃，表现出良好的被动热缓冲能力。结果表明，该类柔性、无泄漏、可加工的聚氨酯相变材料在可穿戴热管理、人体热舒适调控和柔性热缓冲材料等方向具有潜在应用价值。
bet36体育在线为论文第一完成单位，罗会洲、石和波为论文共同第一作者，张超群、陈泽虹为论文共同通讯作者。该研究得到了广东省林业科技创新项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金等资助。
相关论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.76170
文图/生物质学院
