本研究由戴越、唐波*、邓鸿、李润柳、吕志鹏（常州大学石油与天然气工程学院）合作完成，发表于《化学通报（中英文）》2026年第89卷第1期。论文题为《新型工艺制备的石蜡/CaCO3相变微胶囊性能优化与结构分析》，属于热能储存材料领域的原创性研究。

学术背景

相变材料（Phase Change Materials, PCMs）因其高储能密度和近似等温特性，在建筑节能等领域具有重要应用价值。石蜡（Paraffin Wax, PW）作为典型有机芯材，虽具备成本低、化学稳定性好等优势，但传统方法制备的PW/CaCO3微胶囊存在熔融焓值偏低（如文献报道的17.03~85.37 J/g）和包封率不足（20.8%~59%）等问题。本研究针对这一技术瓶颈，提出基于碱性环境的新型制备工艺，以碳酸氢钠（NaHCO3）替代传统碳酸钠（Na2CO3）作为碳酸根源，旨在探究强碱性条件对微胶囊结构与性能的影响机制，并优化关键参数以提升其热能储存性能。

研究流程与方法

1. 微胶囊制备与正交实验设计

研究采用Pickering乳液模板自组装技术，通过四因素四水平正交实验（L16(4^4)）优化合成条件：
- 变量：核壳质量比（1:0.5~1:2）、搅拌速率（600~900 r/min）、乳化剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）含量（0.10~0.24 wt%）、反应时间（15~30 min）。
- 工艺创新：在pH=12.2的碱性条件下，利用NaHCO3分解反应（NaHCO3 + NaOH → Na2CO3 + H2O）提供CO3^2−，促使Ca^2+在石蜡液滴界面定向沉积形成CaCO3壳层。
- 对照组：采用传统Na2CO3工艺制备两组微胶囊（MEPCM19-20），用于性能对比。

2. 表征与分析技术

• 热性能：差示扫描量热仪（DSC）测定熔融焓（ΔHm）和结晶焓（ΔHc），计算包封率（E_r = (ΔHm,microcapsule/ΔHm,PW)×100%）。
  
• 形貌结构：扫描电镜（SEM）观察微胶囊球形形貌与核壳完整性；透射电镜（TEM）分析晶相分布；动态光散射（DLS）测定粒径分布。
  
• 化学成分：X射线衍射（XRD）鉴定CaCO3晶型（方解石与球霰石双相）；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证无化学键合；能量色散X射线光谱（EDS）确认元素组成。
  
• 热稳定性：热重分析（TGA）评估分解温度；500次热循环实验测试长期稳定性。
  

主要结果

1. 正交优化结果：

   • 核壳质量比是影响熔融焓的最显著因素（极差R=67.98），最优条件为1:0.5、SDBS 0.19 wt%、900 r/min。此条件下，MEPCM17的ΔHm达141.19 J/g（包封率77.99%），较传统工艺样品（MEPCM19，ΔHm=94.01 J/g）提升50.2%。
     
   • 碱性环境通过增强SDBS电离度，抑制Ca^2+与磺酸根基团沉淀，促进CaCO3定向沉积。
     

2. 结构表征：

   • SEM显示碱性工艺制备的微胶囊表面光滑致密（图4a），而传统工艺样品存在孔洞缺陷（图4c）。
     
   • XRD证实壳层为方解石（29.44°主峰）与球霰石（43.16°特征峰）双相结构，EDS显示C、O、Ca原子比为85.21:9.86:4.93。
     

3. 热稳定性：

   • TGA表明微胶囊起始分解温度提升至200℃以上（纯石蜡为120℃）。500次热循环后，MEPCM17的ΔHm仅衰减3.21%，相变温度波动<0.8℃（图7）。
     

4. 粒径控制：

   • DLS显示碱性体系微胶囊平均粒径436.38 nm（MEPCM17），分布集中，归因于SDBS在碱性条件下的静电稳定作用。
     

结论与价值

本研究通过碱性碳酸氢钠工艺成功制备出高性能PW/CaCO3相变微胶囊，其熔融焓（141.19 J/g）和包封率（77.99%）显著优于现有文献数据。科学价值在于揭示了碱性环境对CaCO3晶相调控（球霰石优先形成）和乳液稳定性的作用机制；应用价值体现在微胶囊的优异热稳定性（>500次循环）和防泄漏性能，适用于建筑节能涂料、医疗温控材料等领域。

研究亮点

1. 方法创新：首次将NaHCO3作为碳酸根源引入碱性自组装体系，突破传统工艺熔融焓限制。
   
2. 性能突破：ΔHm较文献最高值（140 J/g）提升0.85%，包封率提高18.99个百分点。
   
3. 机理解析：通过SEM-TEM-XRD多模态表征，阐明球霰石相形成与SDBS静电斥力的关联性。
   

其他发现

碱性条件可抑制CO2气泡生成，避免乳液扰动，这一发现为后续研究无缺陷微胶囊提供了新思路。