随着全球气候的急剧变化，可持续和可再生能源成为人们日渐关注的话题。相变材料（PCM）作为一种高效的蓄热物质，可在特定的温度范围内发生相变过程，从而实现热能的储存和释放，具有可持续再生、能量存储密度高等特点，符合当前节能降碳的战略目标，因而受到人们的广泛关注。接下来，小编将为大家介绍相变材料及其封装方式。

什么是相变材料？

相变材料（PCMs）是指在几乎不改变自身温度的情况下，通过改变物质的相态变化来达到储存能量、调节温度的目的，从而实现对能源的高效利用的一种材料，具有储热密度高、温度输出稳定，系统结构紧凑等优点，被广泛应用于纺织、医学、食品冷链、建筑节能、航空航天、太阳能热利用、电池热管理以及工业余热回收等领域。

高分子固-固相变材料结构图（图源：文献6）

相变材料的分类

按照化学成分可以将相变材料分为无机相变材料（IPCMs）、有机相变材料（OPCMs）和复合相变材料（CPCMs）。

（1）无机相变材料（IPCMs）：无机相变材料主要有熔融盐、结晶水合盐、金属合金等无机物。由于是无机材料，故一般具有较大的熔解热和固定的熔点，属于中低温相变材料中较为重要的一类。但是这类材料极易出现“过冷”或“相分离”现象，导致蓄热能力下降，与金属储存器不相容。

*相分离现象：是指无机水合盐在融化过程中，释放的结晶水并不会完全溶解全部的固相，或由于密度差异固相沉积在溶液底部，从而导致材料出现分层的现象。

*过冷现象：是指在凝固过程中，温度降低到理论凝固点时材料并没有发生结晶现象，而是处于亚稳态状况，当温度继续降低才会结晶释放热量。

0-50℃无机相变材料温度汇总（图源：文献7）

（2）有机相变材料（OPCMs）：有机相变材料主要有石蜡、脂、脂肪酸、乙醇及乙二醇等有机物。它们具有较高的潜热、相变范围广、良好的化学稳定性、耐腐蚀性强、固定成型好的特点，不易发生“过冷”和“相分离”现象，性能较为稳定。但是这类材料普遍存在导热系数小的缺点，通常需在里面加入金属网格、金属粉末改善其导热性能，部分材料因易燃、易挥发以及老化问题限制了其在许多领域的应用。

0-50℃有机相变材料温度汇总（图源：文献7）

（3）复合相变材料（CPCMs）：复合相变材料是由无机材料和有机材料混合共熔形成混合相变材料，相较于传统的无机相变材料或有机相变材料，是种类和应用范围最广的一类相变材料。

复合相变材料温度汇总（图源：文献7）

为了确保相变材料在使用过程中的稳定性、耐久性以及安全性，研究人员开发了多种封装技术，主要封装方式有微胶囊封装、多孔载体封装、纤维法等。

1、微胶囊封装

微胶囊封装技术是指利用成膜物质将相变材料进行包覆的技术，由芯材和壳材两部分组成，相变材料作为核心部分，被聚合物或无机材料组成的壳结构包覆在其中，尺度通常在1-1000μm。壳材除了可以构筑一个相对隔离的系统并防止泄露外，还具有更大的比表面积，可以有效提升热响应速度和换热效率，从而实现更高效的热能储存和温度控制。微胶囊封装结构主要受到封装材料的种类和制备工艺的影响。有机外壳中最为常用的是高分子类材料，高分子材料的种类丰富、可设计性强、制备方便、机械强度高、韧性较好，常用有蜜胺树脂、聚氨酯、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯；无机外壳具有较好的阻燃性、高导热性和易制备的特点，最常用为SiO₂。有时单一的外壳并不能完全满足使用需求，这时有机-无机杂化壳或多层壳结构应运而生，通过向其中添加金属基、碳基等材料，可进一步丰富功能性应用，提高微胶囊外壳的热导率和力学性能。微胶囊的制备的方法主要有：溶胶-凝胶法、原位聚合法、喷雾干燥法等。

（1）溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是将溶胶溶液添加到相变材料的乳状液中，在溶液状态下进行水合缩合成微胶囊凝胶。Li等研究以石蜡作为潜热介质，将高密度聚乙烯/木粉复合材料作为包覆外壳，在电地暖系统转化进行实验模拟，结果证明，对电地暖系统有降低成本的效果。He等将二氧化硅作为壳材对硅酸钠进行包覆，研究酸碱性对二氧化硅壳材的影响，结果证明，在酸性的环境中可得到具有抗渗透性的光滑微胶囊。

（2）原位聚合法：原位聚合法是相对分子质量较低的聚合单体在相变材料芯材表面沉积聚集，但沉积数量较多时不断相互交联并在其表面发生聚合反应，最终生成的聚合物外壳将芯材包覆其中。Su等人采用原位缩聚法制备了一系列以相变材料为芯材的三聚氰胺甲醛微胶囊，DSC结果表明，壳内PCM的熔点与未包膜的PCM的熔点几乎没有变化。在随后的开发中，以三聚氰胺甲醛树脂为PCM壳材制备了双壳结构相变材料微胶囊。单壳和双壳结构相变材料微胶囊的压缩试验表明，双壳结构对相变材料芯材更具有保护作用。

（3）喷雾干燥法：喷雾干燥法作为一种物理封装方法，是首先将相变材料分散在聚合物溶液中，再经喷嘴高速喷出完成干燥，从而形成微胶囊。其制备过程简单高效，生产成本较低，对于原材料的限制较少，工艺稳定可控性高，易于连续化制备，但是封装率相对较低，长期稳定性相对较差，目前用于喷雾干燥封装的外壳可以选用聚合物材料或无机材料。

微胶囊形态图（图源：文献1）

2、多孔载体封装

多孔载体封装是利用具有贯通的微小孔洞或丰富微孔结构的无机物作为支撑材料，通过浸渍或施加压力的作用，将液态的相变材料吸入孔洞结构中。应用较为广泛的多孔材料有泡沫金属、多孔陶瓷等。其中，泡沫金属不仅具有金属的高导热的性能，而且高的孔隙率大大提高相变材料的封装效率，但泡沫金属的成本高，对无机相变材料的耐蚀性较差。相比泡沫金属材料，多孔陶瓷就能避免出跟金属接触腐蚀的现象，而且具有优良的机械强度，但多孔陶瓷导热性不高，在实际应用中会大大降低相变材料的性能。

3、纤维法

相变纤维是另一种具有壳核结构的复合相变材料，可以通过熔融纺丝、湿法纺丝、静电纺丝、离心纺丝等手段，将聚乙二醇等相变材料包裹于有机聚合物组成的壳结构中。相变纤维相较于相变微胶囊，形态更加多样，除了丝状纤维，还可以制成纤维膜、织物等，且制备成本与难度也有所降低。使用同轴静电纺丝法，以聚氨酯（PU）、聚酰胺6（PA6）、聚乙烯醇（PVA）等聚合物作为壳层，均可以有效地将聚乙二醇封装于核芯中，阻止其吸热液化后的泄露。进一步地，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为纤维基体，PEG-6000作为相变材料，并加入氧化石墨烯（GO）作为导热填料，通过静电纺丝制成的相变纤维不仅保留了优秀的抗泄露性，而且热导率还随着氧化石墨烯含量的提高而显著提高。

选择封装技术时，需要考虑成本、应用场景、所需的相变温度、封装材料的兼容性和耐久性等因素。每种方法都有其独特的优势和局限性，根据特定的应用需求组合使用，就可以达到最佳的调温性能和使用寿命。

单轴静电纺丝及同轴静电纺丝制备相变纤维示意图（图源：文献6）

参考文献：

1、高易,胡晨曦,郭照琰,等.相变储能材料封装技术研究进展[J/OL].化工进展.

2、陈贡.提高相变材料热导率的研究进展[J].化工新型材料.

3、全瑞星,缪文晶,袁长顺,等.聚乙二醇基定型复合相变材料的研究进展[J/OL].储能科学与技术.

4、吴毛毛.复合相变储能材料的制备及其在锂电池热管理系统的应用[D].西安工业大学.

5、徐聪珠,宋晓蕾,李永贵,等.基于相变材料的调温纺织品研究进展[J/OL].化工新型材料.

6、魏兴岳,王世龙,曾宪奎,等.有机复合相变储热材料的制备研究进展[J].中国塑料.

7、王智超,刘德民.国内外相变储能材料技术现状及应用情况研究综述[J].水电与抽水蓄能.

粉体圈Alice