导热相变微胶囊是由聚合物或其他无机材料作为壳材，内部充填具有相变特性物质的的微小胶囊结构，既能在特定温度范围内发生物理相变，实现热量的传递，也能为传统相变材料提供良好密封保护，解决传其在相变过程中存在的泄漏、腐蚀、相分离、体积变化等问题。然而由于相变微胶囊存在壳材以及结构的限制，热导率低、机械强度和热稳定性差等缺点逐渐显现，限制实际应用范围。为了提升导热相变微胶囊的热导率，对相变微胶囊进行改性不失为一种有效途径。

微胶囊相变材料悬浮液以及微胶囊结构示意图（来源：科协之声）

目前相变微胶囊改性的一般是改变其组成或结构，因此一般可分为芯材改性和壳材改性：

一、芯材改性

单一相变材料作为芯材的微胶囊温度可控范围较窄，无法满足不同温度范围热管理要求，因此对芯材的改性主要目的是调节相变温度和增强热性能，可以用多元相变材料作为芯材或在单一相变芯材内添加改性材料来实现：

1、多元相变材料

多元相变材料通常是将含有不同分子量的相变材料混合在一起或通过混合2种或2种以上有机聚合物来制备共晶有机聚合物，其相变温度可通过控制相变材料的质量比来调节，因此具有可控制熔融温度和相变焓的大小以及具有明显的熔融温度和体积存储密度的优势。

二元碳酸共晶盐微胶囊的合成^【3】

2、添加改性材料

芯材中添加的改性材料一般有碳基材料、导电聚合物、金属、非金属纳米颗粒等几种。相比而言，在芯材中添加碳基材料，相变微胶囊的热导率提升最为明显。因此，为了平衡考虑热导率与储能密度问题，在芯材中添加碳基材料可以更好地提高相变微胶囊的导热性能。目前，常用作芯材改性的碳基材料包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨烯（GO）、单层石墨烯，热导率分别约为3500W/(m·K)、3000W/(m·K)、3080~5150W/(m·K)、5300W/(m·K)。

然而由于碳纳米管（CNTs）和GO与大部分有机芯材不相容，尤其是芯材相变时，黏度降低，碳基材料易团聚，影响热能的传递，并且芯材在相变过程中容易产生过冷现象，降低相变热焓。因此，为了抑制芯材的过冷现象并达到增强导热性能的最佳效果，可先将碳基材料与相变材料接枝提升相容性，再与芯材混合制备相变微胶囊。

未改性（左）与单壁碳纳米管改性后（右）的正十八烷芯相变微胶囊

二、壳材改性

微胶囊外部常见的外部壳材可分为有机高分子材料和无机材料，前者又可分为合成高分子材料（如聚脲、聚苯乙烯、聚氨酯、脲醛树脂等）、天然高分子材料（如动物植物蛋白及其水解产物、多糖）以及半合成高分子材料（如羧甲基纤维素钠、羟丙基纤维素等天然产物的衍生物）；而后者无机材料主要包括碳酸钙、硅酸盐、二氧化钛、二氧化硅等。

一般来说，有机壳材的结构柔韧性更好，但导热性、热稳定性和机械耐久性较差，无机壳材则相反。为了同时提升壳材的机械强度和热稳定性，为芯材提供充足的保护，可将壳材进行杂化改性或多层壳改性。

1、杂化改性

杂化改性是在壳材中添加改性材料，形成具有杂化壳的单壳层改性相变微胶囊，根据壳材类型分为有机-无机材料杂化、多种有机材料复合、多种无机材料复合。

其中有机-无机材料杂化因结合了有机和无机材料的优点，改善了相变微胶囊外壳的性能，为相变微胶囊的壳层提供了更为完整的导热网络，是相变微胶囊应用最广泛的杂化改性方式之一，目前可以通过在有机聚合物中添加高导热性、高比表面积和低密度等特性的碳基材料（石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等）、金属纳米颗粒、陶瓷材料等（氮化硼、）制备分子级或者纳米级的杂化壳相变微胶囊。

有机-无机杂相变微胶囊^【1】

2、多壳层改性

多壳层改性是对不同外壳材料进行层间排列，形成具有分层复合外壳的相变微胶囊，一般可将二次壳层材料在已经制备好的单壳相变微胶囊上聚合、氧化、镀层、自组装或沉淀等，也可以直接在相变微胶囊制备过程中形成多壳层。

目前，多壳层改性主要聚焦于双壳层相变微胶囊，已经报道的多壳层相变微胶囊与耐高温材料、纯金属材料和电活性材料等的结合较多，除了可减少相变材料的泄漏率、提高热传导率和改善相变微胶囊的性能外，还能结合不同功能属性的壳层实现多功能化。

小结

导热相变微胶囊由于壳层的存在，存在热导率低、机械强度和热稳定性差等缺点，可从材料本身特性入手对其芯材和壳材改性，提升综合性能和应用价值。芯材改性主要是采用多元相变材料或添加改性材料，可调节相变温度和增强热性能。在壳材改性上，多壳层改性则重在改善热稳定性和力学性能，增强相变微胶囊实际应用性能和循环寿命。而杂化壳改性的材料选择范围广、改性形式多样、改性效果显著，是目前最主流的改性方式。

参考文献：

1、郝旭波,牛宝联,郭昊天等.相变微胶囊改性及其在光热转换中的应用[J].化工进展.

2、王程遥,张魏,张涛等.相变微胶囊材料导热增强研究进展[J/OL].精细化工.

3、LEE J, JO B. Synthesis and thermal performance of microencapsulated binary carbonate molten salts for solar thermal energy storage[J].

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