本文由Refat Al-Shannaq、Mohammed Farid、Shaheen Al-Muhtaseb和Jamal Kurdi共同撰写，分别来自新西兰奥克兰大学化学与材料工程系、卡塔尔大学化学工程系以及卡塔尔北大西洋学院化学加工工程系。该研究于2014年9月29日发表在《Solar Energy Materials & Solar Cells》期刊上，题为《Emulsion Stability and Cross-Linking of PMMA Microcapsules Containing Phase Change Materials》。

研究背景

随着全球能源需求的增加，建筑领域的能源消耗问题日益突出。为了减少建筑中的加热和冷却能耗，研究人员开始关注相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的应用。PCMs是一种能够在特定温度范围内发生相变的有机或无机化合物，能够在相变过程中吸收和释放大量热能。将PCMs应用于建筑中可以提高建筑的热惯性，改善热舒适性，减少内部温度波动，从而降低加热和冷却需求。然而，PCMs在熔化时容易泄漏，因此需要将其封装在微胶囊中以防止泄漏。微胶囊化技术已被证明是有效封装PCMs的方法。

微胶囊化技术已在制药、食品、化妆品、纺织和热能存储等多个领域得到广泛应用。本文的研究旨在通过悬浮聚合法制备以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为壳的PCM微胶囊，并研究混合表面活性剂对乳液稳定性的影响，以及交联剂对微胶囊形态、储能密度、壳渗透性和热稳定性的影响。

研究流程

研究主要分为以下几个步骤：

1. 材料准备：使用甲基丙烯酸甲酯（MMA）作为单体，五丙烯酸季戊四醇酯（PETRA）作为交联剂，Rubitherm®RT21作为PCM。表面活性剂采用聚乙烯醇（PVA）和十二烷基硫酸钠（SDS）的混合物。

2. 乳化过程：将水相（表面活性剂水溶液）和有机相（MMA、PETRA、引发剂和PCM的混合物）分别制备，然后通过高剪切混合器进行乳化，搅拌速度为3000 rpm，持续5分钟。

3. 聚合过程：将乳化后的乳液转移到四颈玻璃反应器中，在70°C下反应2小时，然后在85°C下反应4小时。反应结束后，冷却至室温，洗涤并干燥微胶囊。

4. 微胶囊表征：

   • 扫描电子显微镜（SEM）：观察微胶囊的表面形态。
   • 差示扫描量热法（DSC）：测定微胶囊的相变温度和相变焓。
   • 激光粒度分析仪：测量微胶囊的粒径分布。
   • 热重分析（TGA）：分析微胶囊的热稳定性。
   • 质量损失测试：评估微胶囊的壳渗透性。

主要结果

1. 表面活性剂对乳液稳定性和微胶囊形态的影响：混合表面活性剂（SDS和PVA）显著提高了乳液的长期稳定性，减少了微胶囊表面的凹陷和褶皱，并降低了微胶囊的粒径。相比之下，单一表面活性剂（PVA）导致乳液不稳定，微胶囊表面粗糙且粒径较大。

2. 交联剂对微胶囊形态和热性能的影响：添加PETRA交联剂后，微胶囊表面变得光滑且紧凑，储能密度从84.3 J/g提高到113.4 J/g。交联后的微胶囊在热稳定性测试中表现出两步热降解过程：第一步是PCM的降解，第二步是壳的降解。

3. 核/壳质量比对微胶囊形态和质量损失的影响：当核/壳质量比为2:1时，微胶囊形态最佳，表面光滑且球形规则。质量损失测试表明，核/壳质量比超过2:1时，微胶囊的质量损失显著增加，表明壳的厚度不足以完全封装PCM。

结论

本研究成功通过悬浮聚合法制备了PMMA微胶囊，并证明了混合表面活性剂和交联剂对微胶囊性能的显著改善。混合表面活性剂提高了乳液的稳定性，减少了微胶囊的粒径和表面缺陷。交联剂PETRA的加入改善了微胶囊的表面形态，并提高了储能密度。核/壳质量比为2:1时，微胶囊的形态和性能最佳，PCM含量高达85.6 wt%，优于文献中报道的大多数微胶囊。

研究亮点

1. 乳液稳定性的显著提升：通过混合表面活性剂的使用，乳液的长期稳定性得到了显著改善，微胶囊的粒径分布更加均匀。
2. 交联剂的应用：PETRA交联剂的引入不仅改善了微胶囊的表面形态，还显著提高了其储能密度和热稳定性。
3. 高PCM含量：本研究制备的微胶囊PCM含量高达85.6 wt%，为热能存储应用提供了高效的材料。

研究意义

本研究为PCM微胶囊的制备提供了新的思路和方法，特别是在乳液稳定性和交联剂应用方面。这些改进不仅提高了微胶囊的性能，还为建筑节能和其他热能存储应用提供了潜在的高效材料。