本文是由来自韩国延世大学国际学院能源与环境科学与工程系（Integrated Science and Engineering Division, Underwood International College, Yonsei University）的 Rajkumar Patel 教授，以及来自美国库珀科学与艺术促进联盟学院化学工程系的 Andrew Kim、印度科学与工业研究委员会-国家跨科学技术研究所材料科学与技术分部的 E. Bhoje Gowd 等学者共同撰写的综述文章。该文于 2023 年 6 月 7 日在《Polymer Reviews》期刊（ISSN: 1558-3724）以《Recent progress in PEG-based composite phase change materials》为题在线发表，文章总览次数（views）达到 1698 次，被引用 45 次。
综述主题与背景： 本文系统地回顾了以聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）为基础材料的复合相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的最新研究进展。相变材料是热能在特定温度范围内储存和释放的关键介质，通过其相变过程中吸收或释放的潜热（latent heat）工作，在热能储存（Thermal Energy Storage, TES）和温度调节领域具有巨大应用潜力。有机相变材料PEG因其相变温度易于调节、熔化/凝固焓高、无毒、成本低、生物相容性好等优点而备受关注。然而，PEG自身存在两大关键缺陷：其一，热导率较低（通常低于 0.3 W/m·K），严重影响了热能传递效率；其二，其固有的固-液相变特性导致其在熔融态下会发生泄漏，需要额外的封装容器，增加了应用系统的复杂性、重量和成本。为克服这些障碍，研究者们将PEG与各类功能材料复合，旨在开发出兼具高储能密度、高导热性、优异形状稳定性（form-stability）及特定功能性的PEG基复合PCMs。本综述的核心目标是梳理和总结近年来的代表性研究成果，详细探讨PEG与不同聚合物、碳材料（一维碳纳米管、二维石墨烯、三维多孔碳等）、二氧化硅骨架以及其他新兴材料（如层状双氢氧化物、MXenes、金属有机框架等）复合的策略、性能优化及机理，并重点分析其在建筑、路面、电子设备、纺织、太阳能及废热回收等领域的应用前景。
综述的主要论点与论据：
1. PEG与聚合物复合：目标是赋予形状稳定性并优化性能，同时最大限度保留PEG的潜热。 * 论点阐述： PEG与聚合物（特别是交联聚合物）复合是获得形状稳定PCMs的常用策略。聚合物的作用机制是通过多孔结构物理包覆或通过化学交联网络固定PEG，防止其泄漏。但复合过程会引入关键变量，如聚合物基体的孔结构、交联密度等，这些因素深刻影响着PEG的结晶行为、封装效率和最终的热性能。 * 论据与案例： * 孔隙结构与交联密度： 较小的孔径和适中的交联密度通常有利于限制PEG分子链的流动，从而提高封装率和形状稳定性。例如，Samani等人的研究表明，更高的酚醛树脂含量能产生更小的孔隙，从而更好地包裹PEG链。然而，过高的交联密度会严重限制PEG链的运动和结晶，导致潜热显著下降。Wang等人的工作对比了线性聚脲（LPU）和交联聚脲（CPU）作为封装材料的效果，发现交联聚脲因其更强的分子间相互作用和更小的孔径，可实现更高的PEG封装率（75 wt.%）且无泄漏，但较高的交联度也使其在相同封装率下潜热低于线性聚脲封装体系。这揭示出需要优化交联密度以实现高封装率与高潜热的平衡。 * 增强功能性： 除了形状稳定，PEG/聚合物复合材料还可以引入其他功能。例如，将PEG与三聚氰胺泡沫（经聚多巴胺PDA修饰）复合，可显著提高光热转换能力。与含银纳米颗粒的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）等聚合物共混，可以提高体系的耐溶剂性或阻燃性。Huang等人将PEG与三烯丙基异氰脲酸酯（TAIC）交联，提高了复合材料的热稳定性（降解起始温度高达392°C），适用于高温环境如路面工程。 * 纤维化应用： PEG/聚合物复合物非常适合通过静电纺丝、离心纺丝等技术制备成纤维或织物，用于智能纺织品。关键在于平衡PEG含量与纤维的机械强度。Chen等人发现，随着PEG含量增加，醋酸纤维素（CA）纤维的拉伸强度会下降，因此高PEG负载的纤维更适合低应力应用。
2. PEG与碳材料复合：核心目标是大幅提升热导率，并利用碳材料的特性附加其他功能（如光热转换）。 * 论点阐述： 根据维度，碳材料分为一维、二维和三维，它们作为PEG复合PCMs的添加剂（增强导热性）或基体（提供形状稳定性），发挥着不同的优势和作用。碳材料（特别是石墨烯和碳纳米管）固有的高导热性是解决PEG热导率低下的理想选择。 * 论据与案例： * 一维碳纳米管（CNTs）： 主要作为高效导热添加剂。即使少量添加也能显著提升热导率。Qian等人的研究表明，仅添加4 wt.%的单壁碳纳米管（SWCNTs）就能将固体PEG的热导率提升375%。CNTs还能有效提高PCMs的光热转换效率，例如Yan等人的工作中，添加少量羧基功能化的多壁碳纳米管（MWCNTs）可将光热转换效率提升至88%以上。 * 二维石墨烯及其衍生物： 同样作为高效的导热添加剂。相较于CNTs，石墨烯纳米片（GNPs）在提升热导率方面有时表现出更高的效率，如Qian等人的对比研究发现，添加4 wt.% GNPs的复合材料比添加8 wt.% SWCNTs的复合材料热导率高14%。石墨烯氧化（GO）则因其丰富的含氧官能团可与PEG形成氢键，有助于赋予形状稳定性。例如，Qi等人将GO与GNPs结合，既实现了形状稳定，又获得了高导热性（1.72 W/m·K）和高储热密度（为纯PEG的98%）。 * 三维多孔碳（如生物质衍生碳、膨胀石墨EG）： 兼具高导热性基体和形状稳定基体的双重角色。这类材料具有三维互连的多孔结构，能通过毛细作用和表面张力将PEG牢固地吸附在其中，有效防止泄漏。例如，Zhao等人利用蔬菜（萝卜、土豆）衍生的多孔碳（BPC）作为基体，不仅实现了高PEG封装率（~90%），还使复合材料的热导率提升了近10倍。膨胀石墨（EG）是另一类经典的三维多孔碳宿主，Zhang等人使用钛酸酯偶联剂（KR-38S）改性EG与PEG的界面，进一步提高了PEG吸附量并降低了过冷度。多孔碳复合材料通常还表现出优异的光热和电热转换性能，使其在太阳能和废热回收领域极具潜力。
3. PEG与二氧化硅基材料复合：目标是利用二氧化硅的高比表面积、高热稳定性和易于功能化的特点，实现高负载、形状稳定的PCMs。 * 论点阐述： 二氧化硅（SiO₂）基多孔材料（如介孔二氧化硅、硅藻土、沸石等）是PEG优异的宿主材料。它们通常具有可控的孔径和极高的比表面积，能实现极高的PEG封装率，从而最大限度地保留PEG的潜热。同时，二氧化硅骨架的高热稳定性也提高了PCMs的工作温度上限。 * 论据与案例： * 高封装与高潜热： Li等人利用溶胶-凝胶法制备的PEG/SiO₂复合材料，实现了高达97.3 wt.%的PEG封装，其熔化焓仅比纯PEG低8%，是形状稳定PCMs中非常出色的结果。Yang等人使用空心玻璃微球（HGS）作为支撑材料，也能实现75 wt.%的PEG封装而无泄漏，并具有良好的热循环稳定性。 * 表面功能化的调控作用： 二氧化硅的表面化学性质对PEG的结晶行为有重要影响。Feng和Wang等人的研究均发现，强相互作用（如未修饰的硅羟基）会将PEG分子链强烈吸附在孔壁上，严重阻碍其结晶，甚至使其丧失相变能力。而对二氧化硅表面进行氨基或甲基等基团功能化，可以适度减弱这种相互作用，从而允许PEG链在受限空间内更好地结晶，保留相变能力，同时通过空间位阻或极性差异来防止泄漏。 * 纳米结构与复合材料： 二氧化硅可以形成各种纳米结构（如纳米线、纳米球）或与碳材料（如石墨烯）结合形成复合骨架，进一步提升性能。例如，Zhang等人利用Si₃N₄纳米线作为宿主，不仅实现了90 wt.%的高PEG封装，还将热导率提高了89%。Zhang等人还开发了基于石墨烯的二氧化硅片（GS），结合了石墨烯的高导热性和二氧化硅的多孔结构。
4. PEG与其他新兴材料复合：探索利用新兴多功能材料进一步提升PCMs的综合性能。 * 论点阐述： 除了主流材料，研究者们还探索了层状双氢氧化物（LDHs）、金属有机框架（MOFs）、MXenes、金属纳米颗粒（如Ag）、氮化硼（BN）等多种材料。这些材料或提供独特的孔结构和官能团，或带来极高的导热性、优异的光吸收特性及阻燃性。 * 论据与案例： * 金属有机框架（MOFs）与凝胶（MOGs）： 因其超高孔隙率和可设计的孔道结构而成为极具潜力的宿主。Wang等人利用铁-苯三甲酸金属有机凝胶（Fe-MOG-100）作为宿主，实现了高达98 wt.%的PEG封装，其熔化焓达到了纯PEG的97%，是目前报道的最高水平之一。同时，MOFs的金属中心还有助于提高热导率和降低过冷度。 * MXenes： 作为一种新兴的二维过渡金属碳化物/氮化物，具有优异的金属导电性和光热转换性能。Fang和Du等人的工作表明，将MXenes引入PEG/多孔碳复合材料，可以显著提高其太阳光吸收能力和光热转换效率。 * 其他功能添加剂： 银（Ag）纳米颗粒可利用其局域表面等离子体共振（LSPR）效应增强光吸收。氮化硼（BN）作为一种高导热、电绝缘的陶瓷材料，可作为导热填料。金属泡沫（如镍泡沫）既是高导热骨架，又可提供优异的力学支撑和热稳定性。
5. PEG基复合相变材料的应用场景： * 论点阐述： 本综述系统梳理了PEG基复合PCMs在不同应用领域所需的关键性能指标和面临的挑战，为材料设计与应用提供了清晰的指导。 * 论据与案例： * 建筑： 利用PCMs（相变温度20-30°C）储存和释放热量以稳定室内温度，降低能耗。需解决PCMs的阻燃问题及对建筑材料（如混凝土）力学强度的潜在负面影响。 * 路面： 将PCMs（相变温度30-60°C）掺入沥青或混凝土中，吸收日间热量以降低路面温度（缓解城市热岛效应），并在夜间释放热量以防止冻结。关键是保证PCMs在高温搅拌和服役条件下的形状稳定性和热稳定性，并尽量减少对路面力学性能的削弱。 * 电池热管理： 利用PCMs（相变温度20-40°C）吸收电池充放电产生的热量，防止热失控。重点是提高PCMs的热导率以实现快速散热，并要求其形状稳定、低可燃性。 * 智能纺织品： 将PCMs（相变温度23-27°C）以纤维形式集成到织物中，实现人体微气候调节。核心挑战是确保PCMs在多次洗涤（尤其是热水）后不发生泄漏或溶解，并保持织物的舒适性和机械性能。纺丝法是实现稳定集成的有效途径。 * 太阳能热能储存（TES）与废热回收： 利用PCMs（相变温度40-80°C）储存太阳能或工业废热。此时，高光热转换效率（通常通过添加碳材料或MXenes实现）和高热导率至关重要，以确保高效的能量捕获和传递。与传热流体（HTFs）的兼容性也是重要考量。
综述的意义与价值： 本综述论文具有重要的学术价值和指导意义。首先，它填补了PEG基相变材料系统性深入综述的空白，将近年来分散的研究成果进行了归纳、比较和分析，为领域内的研究者提供了一份详尽的“地图”和知识库。其次，论文不仅停留在性能罗列，更深入探讨了不同复合策略背后的作用机理（如孔限域效应、界面相互作用、结晶行为调控），这有助于读者理解“性能-结构-工艺”之间的关系，启发新的研究思路。第三，论文紧密结合应用需求，详细分析了各类应用场景对PEG基PCMs性能的具体要求，为面向应用的定向材料设计与优化提供了清晰的指引。最后，文中指出的未来研究方向，如合成参数的精细优化、新功能（如阻燃、电磁屏蔽）的集成、大规模低成本制备工艺的开发等，为该领域的持续发展指明了路径。
总而言之，这篇综述是对PEG基复合相变材料领域最新进展的一次全面、深入和系统的梳理，对于从事热能储存、功能材料、节能技术等相关研究的科研人员和工程技术人员而言，是一篇极具参考价值的重要文献。