微膠囊相變材料封裝外殼材料分類與功能特點

本文翻譯自 Phase Change Material (PCM) Microcapsules for ThermalEnergy Storage。

近年來，隨著周圍環境的變化，微囊化技術得到了廣泛的應用。微膠囊技術還可以為基於PCM的熱存儲提供高熱穩定性、相對恒定的體積和大的傳熱麵積。殼材料在所生產微囊的形態、機械性能和熱性能中起著重要作用，並可根據化學性質分為三類：有機、無機和有機-無機雜化材料。

PCM微膠囊外殼材料分類

3.1.有機外殼。

有機殼材料通常由天然和合成聚合物材料組成，具有良好的密封性能、良好的結構柔性和出色的抗相變體積變化能力。常用的有機外殼材料包括三聚氰胺-甲醛（MF）樹脂、脲醛（UF）樹脂和丙烯酸樹脂。MF樹脂具有成本低、化學相容性好和熱穩定性好的優點。Mohaddes等人成功地將MF用作包封正二十烷的殼材料，並將這種微膠囊應用於紡織品。DSC結果表明，MF基微膠囊的熔融潛熱和結晶潛熱分別為166.6J/g和162.4J/g。摻有這種微膠囊的織物表現出較低的熱延遲效率和較高的溫度調節能力。

在丙烯酸樹脂組中，甲基丙烯酸酯共聚物具有無毒、易於製備、良好的熱穩定性和耐化學性。Alkan等人報道，用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）殼微膠囊化的正二十烷具有良好的熱穩定性。在熱失重分析（TGA）試驗期間，這是一個三步降解過程，在5000次循環DSC試驗後，相變溫度基本保持不變。Ma等人使用聚（甲基丙烯酸甲酯-共二乙烯基苯）（P（MMA-co-DVB））共聚物作為殼材料，成功地封裝了二元核心材料，即硬脂酸丁酯和對苯二甲酸酯。製備的微膠囊具有緊湊的表麵和規則的球形形狀，相對均勻的尺寸為5-10μm。

此外，這種微膠囊的相變溫度可以通過控製硬脂酸丁酯與對位n的比例來調節。王等人準備了capricacid@UF通過添加不同含量的氧化石墨烯（GO）來研究GO對微膠囊熱性能的影響[57]。結果發現，GO含量為0.6%的微膠囊的最高焓為109.60J/g，en包封率為60.7%。通過添加更多的GO，熱導率也顯著提高。此外，含有GO的微膠囊比不含GO的微囊表麵更光滑。

3.2.無機外殼。

由於聚合物殼材料的易彎曲性、低導熱性和較差的機械性能[69]，在某些情況下，具有有機殼的微膠囊的應用具有局限性。近年來，無機材料逐漸被用作製備微膠囊的殼材料。與有機材料相比，無機外殼通常具有更高的剛性、更高的機械強度和更好的導熱性[52]。二氧化矽（SiO2）[70-72]、氧化鋅（ZnO）[73、74]、二氧化鈦（TiO2）[75-77]和碳酸鈣（CaCO3）[78-80]通常用於無機外殼材料。

高導熱性、電阻和易於製備的優點使二氧化矽成為相變材料之一有機-無機共晶石蠟金屬化合物無機-無機-無機金屬合金脂肪酸鹽酸鹽無機-有機鹽共醇圖1：相變材料分類（PCMs）。殼材料有機二氧化矽（SiO2）氧化鋅（ZnO）二氧化鈦（TiO2）…PMMA-SiO2PMMA-TiO2 PMF-SiC…無機-無機雜化樹脂樹脂…圖2：多晶聚合物微膠囊殼材料。聚合物技術進展3

最常用的外殼材料。二氧化矽通常用於微膠囊化有機對苯二甲酸蠟[78,81]、無機水合鹽[71,82–84]和脂肪酸[85,86]。Liang等人使用二氧化矽作為殼材料，正十八烷作為核心材料，通過四乙氧基矽烷（TEOS）在細乳液中的界麵水解和縮聚製備納米膠囊[87]。e測量到這種納米膠囊的導熱性高於0.4wm?1K?1.熔融焓和包封率分別達到109.5J/g和51.5%。經過500次熱循環後，納米膠囊的焓幾乎保持不變，未觀察到泄漏。

二氧化矽殼的合成通常需要四乙氧基矽烷（TEOS）作為二氧化矽前體。然而，正矽酸乙酯的水解和縮聚可能導致矽殼不夠致密，並具有相對較弱的機械強度[88]。與矽殼相比，CaCO3殼具有更高的剛性和更好的致密性。Yu等人利用CaCO3殼通過自組裝方法封裝正十八烷[88]。所得微膠囊呈球形，均勻直徑約5μm，具有良好的導熱性、熱穩定性、抗滲透性和耐久性。

結晶金屬氧化物，如ZnO和TiO2，具有多功能特性，包括催化、光化學和抗菌特性。通常用作殼材料，以獲得具有一些有趣特性的PCM微膠囊。Li等人采用ZnO作為殼材料，正二十烷作為核心材料，合成了具有潛熱儲存、光催化和抗菌性能的多功能微膠囊[73]。微膠囊的熱性能取決於正二十烷與Zn（CH3COO）22H2O的比例。在Liu等人的研究中，TiO2殼用於通過麵間縮聚然後浸漬ZnO來封裝正二十烷[89]。所獲得的微膠囊具有熱儲存和光催化能力。熔融溫度和相應的潛熱分別為41.76℃和188.27 J/g。

3.3.有機-無機雜化殼。

為了克服有機和無機材料的缺點並結合其優點，研究人員已經開始將有機-無機雜化殼轉化為微膠囊化多晶聚合物。在有機-無機雜化殼中，無機材料可以增強機械剛度、熱穩定性和導熱性，而有機材料具有結構柔性[52]。由聚合物（如PMMA和PMF）形成並摻雜SiO2或TiO2的殼廣泛用於封裝多晶聚合物[90–93]。

Wang等人通過光固化和乳液聚合合成了具有PMMA-二氧化矽雜化殼的正十八烷微膠囊[94]。產生的微囊具有良好的形態，顆粒大小在5μm至15μm之間。當MMA與正十八烷的重量比為1:1時，製備的微膠囊表現出最高的包封效率，為62.55%。Zhao等人以正十八烷為核，以TiO2為雜化殼，成功製備了雙功能微膠囊[95]。研究發現，增加TiO2可以提高微膠囊的熱導率，但會降低焓和封裝效率。含6%TiO2的微膠囊的初始降解溫度達到228.4℃，表明微膠囊具有良好的熱穩定性。Wang等人通過原位聚合合成了由正十八烷核和聚（三聚氰胺甲醛）/碳化矽（PMF/SiC）雜化殼組成的多功能微膠囊[91]。微膠囊呈規則球形。與不含碳化矽的微膠囊相比，含7%碳化矽微膠囊的傳熱率顯著提高，導熱係數提高了60.34%