《化工进展》近期网络首发的论文《石墨烯复合TDA-HDA/SiO2相变微胶囊的制备及性能研究》由苏州科技大学环境科学与工程学院的张万鑫（硕士研究生）与孙志高教授（通讯作者）合作完成，研究聚焦于中低温相变储能材料的性能优化。该论文于2025年4月3日在线发布，DOI编号10.16085/j.issn.1000-6613.2024-2080，为溶胶-凝胶法制备高导热相变微胶囊提供了创新性解决方案。

学术背景与研究目标

相变储能技术因储热密度大、温度稳定性高而备受关注，但有机相变材料（如脂肪胺）存在液态泄漏、导热系数低的缺陷。脂肪胺（fatty amine）作为新兴相变材料，虽具有高相变焓（enthalpy）、无毒及化学稳定性等优势，但其导热性能不足限制了实际应用。本研究以十四胺-十六胺（TDA-HDA）二元共晶体系为芯材，二氧化硅（SiO2）为壁材，通过引入石墨烯纳米颗粒（graphene nanoparticles）提升微胶囊的导热性，旨在开发兼具高封装率与高热导率的复合相变材料，应用于建筑节能、电子设备冷却等领域。

研究流程与方法

1. 微胶囊制备

采用溶胶-凝胶法（sol-gel method），具体流程分为三步：
- 胶束形成：将TDA-HDA（质量比7:3）溶于异丙醇（IPA），50℃水浴搅拌1小时，形成胶束结构。
- 壁材前驱体处理：将3-氨丙基-3-乙氧基硅烷（APTES）与乙醇混合，加入盐酸催化水解后滴入反应体系，促进SiO2壁材均匀分布。
- 微胶囊固化：加入硅酸四乙酯（TEOS）和去离子水，50℃搅拌12小时完成水解缩合，最终经洗涤干燥获得微胶囊。实验优化了去离子水量（5–15 mL）、石墨烯添加量（0–0.1%）及TEOS与芯材质量比（1:10至1:2）等参数。

2. 性能表征

• 形貌分析：扫描电镜（SEM）显示，最优条件下（10 mL去离子水、0.05%石墨烯、TEOS:芯材=3:10）制备的微胶囊呈球形，平均粒径2 μm，分散性良好（图3b）。
  
• 热性能测试：差示扫描量热仪（DSC）测得微胶囊相变温度为26.31℃（融化）和23.46℃（凝固），相变焓147.7 J/g，包裹率59.3%（表4）。导热系数测试表明，石墨烯使微胶囊导热率从0.15 W/(m·K)提升至0.28 W/(m·K)，增幅87%（表5）。
  
• 化学稳定性验证：傅里叶红外光谱（FT-IR）证实芯材与壁材无化学反应（图7）；X射线光电子能谱（XPS）显示石墨烯嵌入SiO2壁材中（图11）。
  
• 热循环稳定性：200次循环后SEM未观测到结构破损（图10），且40℃烘烤2小时无泄漏（图9），证明其长期可靠性。

关键结果与逻辑链条

1. 去离子水用量：10 mL时壁材包裹完整（图3b），过量或不足均导致胶束破坏或包裹不充分。
   
2. 石墨烯添加量：0.05%时导热率显著提升且形貌稳定（图4c），过量（0.1%）引发壁材团聚（图4b）。
   
3. TEOS比例：质量比3:10时微胶囊分散性最佳（图5b），比例过高（1:2）导致壁材冗余团聚（图5c）。
   

研究结论与价值

1. 科学价值：首次将石墨烯引入脂肪胺/SiO2微胶囊体系，通过实验阐明了制备参数对形貌与热性能的影响机制，为高导热相变材料设计提供了新思路。
   
2. 应用价值：所得微胶囊兼具高相变焓（147.7 J/g）与导热率（0.28 W/(m·K)），适用于建筑围护结构、电子器件热管理等领域，解决了传统材料泄漏与热响应慢的痛点。
   

创新亮点

1. 方法创新：结合溶胶-凝胶法与石墨烯改性，开发了可规模化制备的高性能微胶囊工艺。
   
2. 性能突破：导热率提升87%，同时保持高包裹率（59.3%）和循环稳定性。
   
3. 跨学科应用：研究成果可延伸至太阳能光热转换、工业余热回收等能源领域。
   

其他发现

热重分析（TG）显示微胶囊在70℃以下无质量损失（图8），进一步验证了其在常温应用中的稳定性。研究还指出，石墨烯通过形成导热通路（而非化学键合）提升热导率，这一机制为后续材料优化提供了方向。

该研究通过多尺度表征与参数优化，成功制备了性能优异的相变微胶囊，为有机-无机复合储能材料的开发树立了范例。