文 献 综 述

1.相变材料及原理

所谓相变材料(Phase Change Materials , PCM)，是指当材料所处的环境温度在一定范围内变化时，材料通过发生相转变使其自身的温度基本维持在某一恒定值的功能性材料^[1]。根据相变方式分类，相变材料主要可分为固一固相变材料、固一液相变材料和定形相变材料;按物质属性，可分为无机盐相变材料、有机小分子相变材料和高分子相变材料^[2]。直链烷烃或石蜡（由直链烷烃构成的混合物）是最常用的相变材料之一，这类材料具有相变潜热大、化学稳定性、无毒及热稳定性好等优点。

图1 相变材料分类

现以由冰变成水的相变过程为例，阐述在相转变的过程中，相变材料是如何释放或吸收大量的热量。如下图冰一水的相变过程示意图所示，当给冰加热时，冰的温度升高1 ℃时，仅仅吸收2J/g;但当冰融化成水时，吸收的热量却高达335J/g，当水的温度升高1℃时，水仅吸收大约4J/g的能量。由此可以看出，在冰转化为水的相变过程中吸收的热量是冰融化时吸收的热量与水加热时吸收的热量之和的80多倍。

图2 冰一水相变过程示意图^[3]

2相变材料微胶囊

2.1相变材料微胶囊

相变材料微胶囊( Micro-encapsulated phase-change materials)简称MEPCM，就是应用微胶囊技术在固液相变材料微粒表面包覆一层性能稳定的膜而构成的具有核壳结构的复合相变材料^[4].其中，包覆膜称为囊壁或壁材，被包覆的固体或液体称为囊芯或芯材。壁材的包覆能有效解决PCMs的泄漏、相分离以及腐蚀性等问题，同时增大了传热面积，防止了相变物质与周围环境的反应，控制了相变时体积变化，提高了相变材料的使用效率^[5]。

2.2微胶囊制备方法

2.2.1原位聚合法

原位聚合法是指在胶囊化过程中，反应单体及催化剂全部位于芯材液滴的内部或者外部，单体在微胶囊体系的连续相中是可溶的，而聚合物在整个体系中是不可溶的，所以聚合反应在芯材液滴的表面上发生。在液滴表面，聚合单体产生相对低分子量的预聚物，当预聚物尺寸逐步增大后，沉积在芯材物质的表面，由于交联及聚合的不断进行，最终形成固体的胶囊外壳，所生成的聚合物薄膜可覆盖芯材液滴的全部表面。^[6]。

2.2.2界面聚合法

界面聚合与原位聚合一样，都是在乳液体系中进行的。两者不同之处在于界面聚合中用于形成壁材的是两种单体，且这两种单体分别分散在连续相和分散相中，在界面处发生聚合反应形成微胶囊。界面聚合的影响因素同样包括搅拌方式和搅拌强度、乳化剂用量等，其反应速度较快，相比原位聚合较难控制。^[7]。

2.2.3其他方法

M.N.A.Hawlader等采用凝聚法和喷干法将石蜡包覆于白明胶和阿拉伯树胶中，得到了石蜡微胶囊。该微胶囊具有高的储热性能和热释放性能。用凝聚法包覆的石蜡具有大的储热能力和释放能力为C56~58J/g，且在经受1000次的热循环后保持储热能力、释放能力、化学性质和结构轮廓不变。M.E.Holman等报道了用sol-gel制备MPCM，在PCM表面包覆金属氧化物或非金属氧化物的凝胶从而提高了该类相变材料的机械强度和阻燃性^[8]。

2.3微胶囊相变材料芯材与壁材选择

2.3.1微胶囊相变材料芯材选择

被包覆的芯材可以是油溶性、水溶性化合物或混合物，其状态可为固体、液体或气体。其主要包括的物质如表1所示。囊芯与壁材的溶解性能必须是不同的，即水溶性囊芯只能用油溶(疏水)性壁材包覆，而油溶性囊芯只能用水溶性壁材;为实现包囊化，包囊膜的表面张力应小于囊芯物的表面张力且包囊材料不与囊芯发生反应^[9]。

表1 微胶囊芯材表

类别	可作芯材的物质
色素 食品 药物 香料 溶剂 助剂 酸碱 增塑剂 胶粘剂 农用品 生物品 燃料 记录材料 其他	染料颜料 无碳复写纸的无色染料 油 脂肪 调味品 香料 阿司匹林 维生素 氨基酸 香精 薄荷油 专用组分 醚类 酯类 醇类 石蜡类 苯 甲苯 环己烷 甘油 水 固化剂 阻燃剂 发泡剂 氧化剂 还原剂 引发剂 硼酸 硝酸 苟性碱 胺类 邻苯二甲酸酯类 磷酸酯类 己二酸酯类 硅烷类 氯代联苯 氯化石蜡 胺类 环氧树脂类 异氰酸酯类 多硫化物类 热敏胶粘剂 杀虫剂 除草剂 肥料 细胞 细菌 酶 酵母 血红蛋白 病毒 动物胶 核燃料 火箭燃料 复印色粉 墨水 定影剂 显色剂 卤化银 磁性材料 液晶 光变色材料 相变材料 无机粉体 金属 黏土 纤维素等

2.3.2微胶囊相变材料壁材选择

从使用角度讲，MCPCM的壁材应具有较高的强度、韧性、致密性及热稳定性，以便在外力作用下能较长时间保持其完整性、避免芯料的渗漏。从制备角度讲，成膜材料应与芯材相容卿彼此无渗透、无化学反应)、性能稳定、成膜性好、价廉易得，另外，壁材的熔点要高于芯材的相变温度和可能遇到的最高使用温度。文献中常见的壁材有聚乙烯、聚脉、聚酞胺、脉醛树脂、三聚氰胺一甲醛树脂等。近来，一些学者用脉蜜胺一甲醛聚合物、苯乙烯一二乙烯基苯、蜜胺甲醛树脂、三聚氰胺改性脉醛树脂、聚甲基丙烯酸甲醋、硅胶、明胶、阿拉伯胶、麦芽糖糊精、大豆球蛋白等作为壁材包覆不同的

相变材料，获得了相应的产品^[10]。

2.4微胶囊相变材料的应用

目前，人们对于微胶囊相变材料的研究还处于初级阶段，拓宽微胶囊相变材料的应用领域是现在面临的主要问题。将相变材料制成微胶囊后，由于微胶囊的表面积大，因此增大了相变材料的传热面积，同时也防止了相变物质与周围环境的相互作用，提高了相变材料的利用效率。目前相变材料微胶囊在节能建筑^[11]、太阳能帆板^[12]、调温服装^[13]、军事^[14]废热和余热的回收^[15]以及民用电热电器^[16]等领域应用日益广泛。

3本文研究内容

甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸的共聚物为壁材，石蜡为芯材，研究微胶囊相变材料合成的工艺条件，优化的工艺参数包括：甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸配比、芯/壁比、引发剂、乳化剂用量等，研究这些工艺参数对微胶囊粒径及形貌的影响。

参考文献：

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所谓相变材料(Phase Change Materials , PCM)，是指当材料所处的环境温度在一定范围内变化时，材料通过发生相转变使其自身的温度基本维持在某一恒定值的功能性材料^[1]。根据相变方式分类，相变材料主要可分为固一固相变材料、固一液相变材料和定形相变材料;按物质属性，可分为无机盐相变材料、有机小分子相变材料和高分子相变材料^[2]。直链烷烃或石蜡（由直链烷烃构成的混合物）是最常用的相变材料之一，这类材料具有相变潜热大、化学稳定性、无毒及热稳定性好等优点。