学术研究报告：通过微胶囊化增强共晶相变材料的热稳定性——基于二氧化硅壳的反相乳液聚合法

一、作者与发表信息
本研究由伊朗Amirkabir University of Technology的M. Parsamanesh、S. Shekarriz和M. Montazer合作完成，发表于2025年2月的期刊*Thermal Science and Engineering Progress*（卷60，文章编号103420）。研究聚焦于通过微胶囊化技术提升无机共晶相变材料（PCMs）的热稳定性，为热能存储系统提供创新解决方案。

二、学术背景与研究目标
在全球能源需求激增的背景下，热能存储（TES, Thermal Energy Storage）技术成为提高能源利用效率的关键。相变材料（PCMs）因其高储能密度和等温相变特性备受关注，但传统PCMs（如水合盐）存在相分离、热稳定性差等问题。本研究选取两种水合盐——十水碳酸钠（SCD, Na₂CO₃·10H₂O）和十二水磷酸氢二钠（DHPD, Na₂HPO₄·12H₂O）——通过共晶复合与微胶囊化技术，旨在解决相分离问题并降低熔点，同时利用二氧化硅壳提升热稳定性。研究目标包括：
1. 优化共晶配比以抑制相分离；
2. 开发基于反相乳液聚合法的微胶囊化工艺；
3. 评估微胶囊化PCMs的热性能与循环稳定性。

三、研究流程与方法
1. 共晶PCMs的制备与筛选
- 材料配比：测试三种质量比（SCD:DHPD = 45:55、40:60、35:65），通过差示扫描量热法（DSC, Differential Scanning Calorimetry）分析相变行为。
- 结果：40:60配比显示单一吸热峰（熔点30.69°C），证实为均相共晶，无相分离（图3）。扫描电镜（SEM）显示其晶体结构为SCD针状与DHPD颗粒的物理混合（图4）。

1. 微胶囊化工艺

   • 壳材料合成：以正硅酸乙酯（TEOS）和3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）为前驱体，通过溶胶-凝胶法形成二氧化硅壳。
     
   • 核心-壳比例优化：设计3:1、4:1、5:1三组比例，通过反相乳液聚合法（图1）制备微胶囊。
     
   • 关键步骤：
     
     • 水相（熔融共晶盐+水+Tween 80）与油相（液体石蜡+Span 80）乳化；
       
     • 加入TEOS/GPTMS，40°C反应8小时，离心洗涤。
       

2. 表征与测试

   • 结构分析：傅里叶红外光谱（FTIR）证实壳层Si-O-Si键（460 cm⁻¹）和核心水合盐特征峰（图14）；X射线衍射（XRD）显示微胶囊保留共晶盐晶体结构（图15）。
     
   • 热性能测试：DSC显示4:1比例样品（Sample 2）熔点53.05°C、潜热97.72 J/g，封装效率45.88%（表1）；热重分析（TGA）表明微胶囊在600°C残渣率达70%，显著高于纯共晶盐（35%）（图10）。
     
   • 循环稳定性：Sample 2经10次热循环后潜热保持稳定（56.70 J/g），证实二氧化硅壳有效抑制泄漏（图11）。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 共晶优化：40:60配比通过单一熔点（30.69°C）和DSC曲线验证其均质性，为后续微胶囊化提供稳定核心。
2. 核心-壳比例影响：4:1比例（Sample 2）因壳层完整性和核心负载平衡，表现出最优热性能；5:1比例因水解不足导致壳层缺陷（图12d）。
3. 热稳定性机制：二氧化硅壳通过界面聚合反应形成交联网络（图7），抑制水合盐脱水（TGA残渣率提升至70%），并通过环氧基团（FTIR 1398 cm⁻¹）增强与纤维材料的结合潜力。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：首次将GPTMS/TEOS复合壳用于共晶水合盐微胶囊化，解决了传统聚合物壳的易燃性与低导热问题。
2. 应用价值：所开发的PCMs可应用于智能纺织品、建筑节能等领域，其低温相变特性（30–53°C）适合人体热管理需求。

六、研究亮点
1. 创新方法：结合反相乳液聚合与溶胶-凝胶法，一步合成核壳结构微胶囊（图1）；
2. 材料设计：通过共晶复合与无机壳协同作用，兼具低熔点（30.69°C）和高热稳定性（600°C残渣率70%）；
3. 跨学科应用：微胶囊的环氧功能化（GPTMS）为纺织复合材料开发提供新思路。

七、其他发现
- 乳化条件关键性：未搅拌条件下，GPTMS环氧基团与水分反应生成酯键（FTIR 1719 cm⁻¹），证实界面反应对壳层形成的必要性（图14d）。
- 循环稳定性：10次热循环后XRD晶体结构未变（图16），表明微胶囊化有效保护核心材料化学稳定性。

本研究为无机PCMs的工程化应用提供了理论支撑与工艺范例，推动可持续能源技术的发展。