隨著全球氣候的急劇變化，可持續(xù)和可再生能源成為人們?nèi)諠u關(guān)注的話題。相變材料（PCM）作為一種高效的蓄熱物質(zhì)，可在特定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生相變過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存和釋放，具有可持續(xù)再生、能量存儲(chǔ)密度高等特點(diǎn)，符合當(dāng)前節(jié)能降碳的戰(zhàn)略目標(biāo)，因而受到人們的廣泛關(guān)注。接下來(lái)，小編將為大家介紹相變材料及其封裝方式。

什么是相變材料？

相變材料（PCMs）是指在幾乎不改變自身溫度的情況下，通過(guò)改變物質(zhì)的相態(tài)變化來(lái)達(dá)到儲(chǔ)存能量、調(diào)節(jié)溫度的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的高效利用的一種材料，具有儲(chǔ)熱密度高、溫度輸出穩(wěn)定，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于紡織、醫(yī)學(xué)、食品冷鏈、建筑節(jié)能、航空航天、太陽(yáng)能熱利用、電池?zé)峁芾硪约肮I(yè)余熱回收等領(lǐng)域。

高分子固-固相變材料結(jié)構(gòu)圖（圖源：文獻(xiàn)6）

相變材料的分類

按照化學(xué)成分可以將相變材料分為無(wú)機(jī)相變材料（IPCMs）、有機(jī)相變材料（OPCMs）和復(fù)合相變材料（CPCMs）。

（1）無(wú)機(jī)相變材料（IPCMs）：無(wú)機(jī)相變材料主要有熔融鹽、結(jié)晶水合鹽、金屬合金等無(wú)機(jī)物。由于是無(wú)機(jī)材料，故一般具有較大的熔解熱和固定的熔點(diǎn)，屬于中低溫相變材料中較為重要的一類。但是這類材料極易出現(xiàn)“過(guò)冷”或“相分離”現(xiàn)象，導(dǎo)致蓄熱能力下降，與金屬儲(chǔ)存器不相容。

*相分離現(xiàn)象：是指無(wú)機(jī)水合鹽在融化過(guò)程中，釋放的結(jié)晶水并不會(huì)完全溶解全部的固相，或由于密度差異固相沉積在溶液底部，從而導(dǎo)致材料出現(xiàn)分層的現(xiàn)象。

*過(guò)冷現(xiàn)象：是指在凝固過(guò)程中，溫度降低到理論凝固點(diǎn)時(shí)材料并沒有發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，而是處于亞穩(wěn)態(tài)狀況，當(dāng)溫度繼續(xù)降低才會(huì)結(jié)晶釋放熱量。

0-50℃無(wú)機(jī)相變材料溫度匯總（圖源：文獻(xiàn)7）

（2）有機(jī)相變材料（OPCMs）：有機(jī)相變材料主要有石蠟、脂、脂肪酸、乙醇及乙二醇等有機(jī)物。它們具有較高的潛熱、相變范圍廣、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性強(qiáng)、固定成型好的特點(diǎn)，不易發(fā)生“過(guò)冷”和“相分離”現(xiàn)象，性能較為穩(wěn)定。但是這類材料普遍存在導(dǎo)熱系數(shù)小的缺點(diǎn)，通常需在里面加入金屬網(wǎng)格、金屬粉末改善其導(dǎo)熱性能，部分材料因易燃、易揮發(fā)以及老化問(wèn)題限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。

0-50℃有機(jī)相變材料溫度匯總（圖源：文獻(xiàn)7）

（3）復(fù)合相變材料（CPCMs）：復(fù)合相變材料是由無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料混合共熔形成混合相變材料，相較于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)相變材料或有機(jī)相變材料，是種類和應(yīng)用范圍最廣的一類相變材料。

復(fù)合相變材料溫度匯總（圖源：文獻(xiàn)7）

為了確保相變材料在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性、耐久性以及安全性，研究人員開發(fā)了多種封裝技術(shù)，主要封裝方式有微膠囊封裝、多孔載體封裝、纖維法等。

1、微膠囊封裝

微膠囊封裝技術(shù)是指利用成膜物質(zhì)將相變材料進(jìn)行包覆的技術(shù)，由芯材和殼材兩部分組成，相變材料作為核心部分，被聚合物或無(wú)機(jī)材料組成的殼結(jié)構(gòu)包覆在其中，尺度通常在1-1000μm。殼材除了可以構(gòu)筑一個(gè)相對(duì)隔離的系統(tǒng)并防止泄露外，還具有更大的比表面積，可以有效提升熱響應(yīng)速度和換熱效率，從而實(shí)現(xiàn)更高效的熱能儲(chǔ)存和溫度控制。微膠囊封裝結(jié)構(gòu)主要受到封裝材料的種類和制備工藝的影響。有機(jī)外殼中最為常用的是高分子類材料，高分子材料的種類豐富、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、制備方便、機(jī)械強(qiáng)度高、韌性較好，常用有蜜胺樹脂、聚氨酯、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯；無(wú)機(jī)外殼具有較好的阻燃性、高導(dǎo)熱性和易制備的特點(diǎn)，最常用為SiO₂。有時(shí)單一的外殼并不能完全滿足使用需求，這時(shí)有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化殼或多層殼結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)向其中添加金屬基、碳基等材料，可進(jìn)一步豐富功能性應(yīng)用，提高微膠囊外殼的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能。微膠囊的制備的方法主要有：溶膠-凝膠法、原位聚合法、噴霧干燥法等。

（1）溶膠-凝膠法：溶膠-凝膠法是將溶膠溶液添加到相變材料的乳狀液中，在溶液狀態(tài)下進(jìn)行水合縮合成微膠囊凝膠。Li等研究以石蠟作為潛熱介質(zhì)，將高密度聚乙烯/木粉復(fù)合材料作為包覆外殼，在電地暖系統(tǒng)轉(zhuǎn)化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，結(jié)果證明，對(duì)電地暖系統(tǒng)有降低成本的效果。He等將二氧化硅作為殼材對(duì)硅酸鈉進(jìn)行包覆，研究酸堿性對(duì)二氧化硅殼材的影響，結(jié)果證明，在酸性的環(huán)境中可得到具有抗?jié)B透性的光滑微膠囊。

（2）原位聚合法：原位聚合法是相對(duì)分子質(zhì)量較低的聚合單體在相變材料芯材表面沉積聚集，但沉積數(shù)量較多時(shí)不斷相互交聯(lián)并在其表面發(fā)生聚合反應(yīng)，最終生成的聚合物外殼將芯材包覆其中。Su等人采用原位縮聚法制備了一系列以相變材料為芯材的三聚氰胺甲醛微膠囊，DSC結(jié)果表明，殼內(nèi)PCM的熔點(diǎn)與未包膜的PCM的熔點(diǎn)幾乎沒有變化。在隨后的開發(fā)中，以三聚氰胺甲醛樹脂為PCM殼材制備了雙殼結(jié)構(gòu)相變材料微膠囊。單殼和雙殼結(jié)構(gòu)相變材料微膠囊的壓縮試驗(yàn)表明，雙殼結(jié)構(gòu)對(duì)相變材料芯材更具有保護(hù)作用。

（3）噴霧干燥法：噴霧干燥法作為一種物理封裝方法，是首先將相變材料分散在聚合物溶液中，再經(jīng)噴嘴高速噴出完成干燥，從而形成微膠囊。其制備過(guò)程簡(jiǎn)單高效，生產(chǎn)成本較低，對(duì)于原材料的限制較少，工藝穩(wěn)定可控性高，易于連續(xù)化制備，但是封裝率相對(duì)較低，長(zhǎng)期穩(wěn)定性相對(duì)較差，目前用于噴霧干燥封裝的外殼可以選用聚合物材料或無(wú)機(jī)材料。

微膠囊形態(tài)圖（圖源：文獻(xiàn)1）

2、多孔載體封裝

多孔載體封裝是利用具有貫通的微小孔洞或豐富微孔結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)物作為支撐材料，通過(guò)浸漬或施加壓力的作用，將液態(tài)的相變材料吸入孔洞結(jié)構(gòu)中。應(yīng)用較為廣泛的多孔材料有泡沫金屬、多孔陶瓷等。其中，泡沫金屬不僅具有金屬的高導(dǎo)熱的性能，而且高的孔隙率大大提高相變材料的封裝效率，但泡沫金屬的成本高，對(duì)無(wú)機(jī)相變材料的耐蝕性較差。相比泡沫金屬材料，多孔陶瓷就能避免出跟金屬接觸腐蝕的現(xiàn)象，而且具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，但多孔陶瓷導(dǎo)熱性不高，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)大大降低相變材料的性能。

3、纖維法

相變纖維是另一種具有殼核結(jié)構(gòu)的復(fù)合相變材料，可以通過(guò)熔融紡絲、濕法紡絲、靜電紡絲、離心紡絲等手段，將聚乙二醇等相變材料包裹于有機(jī)聚合物組成的殼結(jié)構(gòu)中。相變纖維相較于相變微膠囊，形態(tài)更加多樣，除了絲狀纖維，還可以制成纖維膜、織物等，且制備成本與難度也有所降低。使用同軸靜電紡絲法，以聚氨酯（PU）、聚酰胺6（PA6）、聚乙烯醇（PVA）等聚合物作為殼層，均可以有效地將聚乙二醇封裝于核芯中，阻止其吸熱液化后的泄露。進(jìn)一步地，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為纖維基體，PEG-6000作為相變材料，并加入氧化石墨烯（GO）作為導(dǎo)熱填料，通過(guò)靜電紡絲制成的相變纖維不僅保留了優(yōu)秀的抗泄露性，而且熱導(dǎo)率還隨著氧化石墨烯含量的提高而顯著提高。

選擇封裝技術(shù)時(shí)，需要考慮成本、應(yīng)用場(chǎng)景、所需的相變溫度、封裝材料的兼容性和耐久性等因素。每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性，根據(jù)特定的應(yīng)用需求組合使用，就可以達(dá)到最佳的調(diào)溫性能和使用壽命。

單軸靜電紡絲及同軸靜電紡絲制備相變纖維示意圖（圖源：文獻(xiàn)6）

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