微胶囊相变材料封装外壳材料分类与功能特点

本文翻译自 Phase Change Material (PCM) Microcapsules for ThermalEnergy Storage。

近年来，随着周围环境的变化，微囊化技术得到了广泛的应用。微胶囊技术还可以为基于PCM的热存储提供高热稳定性、相对恒定的体积和大的传热面积。壳材料在所生产微囊的形态、机械性能和热性能中起着重要作用，并可根据化学性质分为三类：有机、无机和有机-无机杂化材料。

PCM微胶囊外壳材料分类

3.1.有机外壳。

有机壳材料通常由天然和合成聚合物材料组成，具有良好的密封性能、良好的结构柔性和出色的抗相变体积变化能力。常用的有机外壳材料包括三聚氰胺-甲醛（MF）树脂、脲醛（UF）树脂和丙烯酸树脂。MF树脂具有成本低、化学相容性好和热稳定性好的优点。Mohaddes等人成功地将MF用作包封正二十烷的壳材料，并将这种微胶囊应用于纺织品。DSC结果表明，MF基微胶囊的熔融潜热和结晶潜热分别为166.6J/g和162.4J/g。掺有这种微胶囊的织物表现出较低的热延迟效率和较高的温度调节能力。

在丙烯酸树脂组中，甲基丙烯酸酯共聚物具有无毒、易于制备、良好的热稳定性和耐化学性。Alkan等人报道，用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）壳微胶囊化的正二十烷具有良好的热稳定性。在热失重分析（TGA）试验期间，这是一个三步降解过程，在5000次循环DSC试验后，相变温度基本保持不变。Ma等人使用聚（甲基丙烯酸甲酯-共二乙烯基苯）（P（MMA-co-DVB））共聚物作为壳材料，成功地封装了二元核心材料，即硬脂酸丁酯和对苯二甲酸酯。制备的微胶囊具有紧凑的表面和规则的球形形状，相对均匀的尺寸为5-10μm。

此外，这种微胶囊的相变温度可以通过控制硬脂酸丁酯与对位n的比例来调节。王等人准备了capricacid@UF通过添加不同含量的氧化石墨烯（GO）来研究GO对微胶囊热性能的影响[57]。结果发现，GO含量为0.6%的微胶囊的最高焓为109.60J/g，en包封率为60.7%。通过添加更多的GO，热导率也显著提高。此外，含有GO的微胶囊比不含GO的微囊表面更光滑。

3.2.无机外壳。

由于聚合物壳材料的易弯曲性、低导热性和较差的机械性能[69]，在某些情况下，具有有机壳的微胶囊的应用具有局限性。近年来，无机材料逐渐被用作制备微胶囊的壳材料。与有机材料相比，无机外壳通常具有更高的刚性、更高的机械强度和更好的导热性[52]。二氧化硅（SiO2）[70-72]、氧化锌（ZnO）[73、74]、二氧化钛（TiO2）[75-77]和碳酸钙（CaCO3）[78-80]通常用于无机外壳材料。

高导热性、电阻和易于制备的优点使二氧化硅成为相变材料之一有机-无机共晶石蜡金属化合物无机-无机-无机金属合金脂肪酸盐酸盐无机-有机盐共醇图1：相变材料分类（PCMs）。壳材料有机二氧化硅（SiO2）氧化锌（ZnO）二氧化钛（TiO2）…PMMA-SiO2PMMA-TiO2 PMF-SiC…无机-无机杂化树脂树脂…图2：多晶聚合物微胶囊壳材料。聚合物技术进展3

最常用的外壳材料。二氧化硅通常用于微胶囊化有机对苯二甲酸蜡[78,81]、无机水合盐[71,82–84]和脂肪酸[85,86]。Liang等人使用二氧化硅作为壳材料，正十八烷作为核心材料，通过四乙氧基硅烷（TEOS）在细乳液中的界面水解和缩聚制备纳米胶囊[87]。e测量到这种纳米胶囊的导热性高于0.4wm?1K?1.熔融焓和包封率分别达到109.5J/g和51.5%。经过500次热循环后，纳米胶囊的焓几乎保持不变，未观察到泄漏。

二氧化硅壳的合成通常需要四乙氧基硅烷（TEOS）作为二氧化硅前体。然而，正硅酸乙酯的水解和缩聚可能导致硅壳不够致密，并具有相对较弱的机械强度[88]。与硅壳相比，CaCO3壳具有更高的刚性和更好的致密性。Yu等人利用CaCO3壳通过自组装方法封装正十八烷[88]。所得微胶囊呈球形，均匀直径约5μm，具有良好的导热性、热稳定性、抗渗透性和耐久性。

结晶金属氧化物，如ZnO和TiO2，具有多功能特性，包括催化、光化学和抗菌特性。通常用作壳材料，以获得具有一些有趣特性的PCM微胶囊。Li等人采用ZnO作为壳材料，正二十烷作为核心材料，合成了具有潜热储存、光催化和抗菌性能的多功能微胶囊[73]。微胶囊的热性能取决于正二十烷与Zn（CH3COO）22H2O的比例。在Liu等人的研究中，TiO2壳用于通过面间缩聚然后浸渍ZnO来封装正二十烷[89]。所获得的微胶囊具有热储存和光催化能力。熔融温度和相应的潜热分别为41.76℃和188.27 J/g。

3.3.有机-无机杂化壳。

为了克服有机和无机材料的缺点并结合其优点，研究人员已经开始将有机-无机杂化壳转化为微胶囊化多晶聚合物。在有机-无机杂化壳中，无机材料可以增强机械刚度、热稳定性和导热性，而有机材料具有结构柔性[52]。由聚合物（如PMMA和PMF）形成并掺杂SiO2或TiO2的壳广泛用于封装多晶聚合物[90–93]。

Wang等人通过光固化和乳液聚合合成了具有PMMA-二氧化硅杂化壳的正十八烷微胶囊[94]。产生的微囊具有良好的形态，颗粒大小在5μm至15μm之间。当MMA与正十八烷的重量比为1:1时，制备的微胶囊表现出最高的包封效率，为62.55%。Zhao等人以正十八烷为核，以TiO2为杂化壳，成功制备了双功能微胶囊[95]。研究发现，增加TiO2可以提高微胶囊的热导率，但会降低焓和封装效率。含6%TiO2的微胶囊的初始降解温度达到228.4℃，表明微胶囊具有良好的热稳定性。Wang等人通过原位聚合合成了由正十八烷核和聚（三聚氰胺甲醛）/碳化硅（PMF/SiC）杂化壳组成的多功能微胶囊[91]。微胶囊呈规则球形。与不含碳化硅的微胶囊相比，含7%碳化硅微胶囊的传热率显著提高，导热系数提高了60.34%