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微胶囊相变材料(PCM)制备及应用性能研究

王兴越 ,  宋乐春 ,  李志军 ,  李臣泽 ,  曹鹏

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (7) : 216 -220.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (7) : 216-220. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.07.037
科研与开发

微胶囊相变材料(PCM)制备及应用性能研究

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Preparation and application performance study of microencapsulated phase change materials (PCM)

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摘要

采用石蜡为芯材、密胺树脂为壁材制备了微胶囊相变材料(PCM),较佳制备条件为芯壁比1∶0.75、时间4 h、温度65℃、转速500 r/min、pH=4.5。此条件下材料热焓为107 J/g、渗透率为3.2%,粒径分布均匀,有效地平衡了导热性与囊壁强度之间的矛盾。为了验证其工业化应用可行性,进行了20倍规模放大实验,制备出的PCM样品在室温条件下储存6个月后,其关键性能指标热焓值与渗透率均保持稳定,充分证明了该材料出色的放大生产能力和长期储存稳定性。进一步对PCM进行调温效果研究,与壁材材料调温效果对比,能够实现约6.5~7.2℃的温差调节。同时经过60次热衰减性能考察,其调温区间和调温效果无明显变化,展现其良好抗热衰减性能。这些优异特性使该PCM在多种应用领域具有广泛应用前景。

Abstract

Microencapsulated phase change materials (PCM) was prepared using paraffin as the core material and melamine resin as the wall material.The optimal PCM preparation conditions were determined as follows:core to wall ratio of 1∶0.75,synthesis time of 4 hours,temperature of 65℃,rotation speed of 500 r/min,pH value of 4.5.Under these conditions,the material has an enthalpy of 107 J/g and a permeability of 3.2%,effectively balancing the contradiction between thermal conductivity and capsule wall strength.In order to verify the feasibility of its industrial application,a 20-fold scaling up experiment was conducted.The prepared PCM samples were stored at room temperature for six months,and their key performance indicators,enthalpy and permeability,remained stable,fully demonstrating the excellent scaling up production capacity and long-term storage stability of the material.Further research on the temperature regulation effect of PCM,compared with the temperature regulation effect of wall materials,can achieve a temperature difference adjustment of about 6.5-7.2℃.At the same time,after 60 thermal attenuation performance tests,there was no significant change in its temperature regulation range and temperature regulation effect,demonstrating its good thermal attenuation resistance.These excellent features make the PCM have broad application prospects in various fields.

Graphical abstract

关键词

微胶囊相变材料 / 热焓值 / 渗透率 / 储存稳定性 / 调温效果

Key words

microencapsulated phase change materials / enthalpy value / permeability / storage stability / temperature regulation effect

引用本文

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王兴越,宋乐春,李志军,李臣泽,曹鹏. 微胶囊相变材料(PCM)制备及应用性能研究[J]. 现代化工, 2026, 46(7): 216-220 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.07.037

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随着全球能源危机与环境挑战日益加剧,提升能源使用效率和开发新型储能材料成为了科学研究热点[1]。微胶囊相变材料(以下简称“PCM”)作为一种高效储能技术,因其独特的相变潜热特性和良好的稳定性,在推动节能减排、促进环境保护及实现可持续发展目标方面展现出巨大潜力和广阔应用前景[1-3]。
在20世纪70年代,美国科学家首先运用成膜材料将“固-液”相变材料包覆在囊壁内部,形成具有核-壳结构的粒径在2~1 000 μm之间的微粒,称为PCM[4]。之后PCM在纺织业的研究得到了迅速的发展,欧洲、日本等国家都开始研究微胶囊化的相变材料,并取得了许多研究成果[4-7]。国内虽然在这一领域研究起步较晚,但已经取得了一定研究成果。国内研究者用结晶水合盐、石蜡类、脂肪酸类、聚乙二醇等作为相变材料[8-11];用脲醛树脂、密胺树脂、聚氨酯和芳香族聚酰胺等高分子材料,或硅酸钙等无机物为囊壁材料,制备了一系列PCM,目前已经在建筑、纺织等多个领域实现了应用[12-17]。但PCM也存在一些缺点不足,如囊壁强度与导热性矛盾、储存热稳定性能提升、循环性能改善等问题[18-21]。
在深入探究的基础上,本文运用了原位聚合法制备了以三聚氰胺-甲醛树脂为外壳的石蜡PCM。通过优化制备条件,成功制备出兼顾囊壁强度与导热性的PCM,并且对较优条件下制备得到PCM形貌、结构进行了观察和表征。本文还进行了合成PCM反应的放大实验,实现了等比例放大20倍。更重要的是,在历经长达6个月的储存周期以及多次热循环考验后,这些PCM的焓值和渗透率均保持了高度的稳定性,未见明显变化。这一发现不仅验证了制备工艺的可靠性,更为PCM在实际应用中的长期稳定性和耐久性提供了坚实的理论支撑和实践指导。

1 材料与试剂

1.1 材料

石蜡、甲醛溶液(质量分数38%)、三聚氰胺、三乙醇胺、盐酸、无水乙醇,均为分析纯;复配乳化剂FB-1为实验室自合成。以上试剂均购自上海阿拉丁化学试剂有限公司。

1.2 仪器及试剂

差示扫描量热仪DSC214型,德国耐驰(Netzsch)公司;傅里叶红外光谱(FT-IR)Nicolet iS20型,赛默飞世尔科技公司;扫描电子显微镜(SEM)Sigma 500型,德国蔡司扫描电镜;远传地温采集仪RTT系列,西北工业大学、中科院冻土工程国家重点实验室和星云物联联合制造。

2 实验方法

2.1 芯材乳化

芯材乳化过程详见《用于储能的石蜡相变乳液制备研究》[22]。

2.2 壁材预聚体合成

称取1份三聚氰胺加入到8份超纯水三口烧瓶中,边搅拌边加入2份甲醛溶液;再向烧瓶中加入适量三乙醇胺,调节溶液pH为8.0~8.5之间,在70℃加热条件下以650 r/min搅拌反应40 min,得到预聚体溶液。

2.3 PCM制备条件优化

将制备芯材乳液置于三口烧瓶中,滴加稀盐酸,调节体系pH为3.5~4.0之间,根据实验要求设定加热温度和搅拌速率;向三口烧瓶中缓慢滴加预聚体溶液,一段时间后关闭加热装置。直至体系冷却至室温,将反应后的体系进行抽滤,得到的滤饼进行干燥,最后得到的白色粉末即为PCM。

2.4 PCM调温性能考察

采用远传地温数采仪对PCM调温效果进行考察,RTT系列,由西北工业大学、中科院冻土工程国家重点实验室和星云物联联合制造。

3 结果与分析

3.1 制备条件优化

3.1.1 芯壁比对PCM热焓和渗透率影响

实验过程中保持芯材质量不变,通过改变壁材质量来控制芯壁比取值。芯壁比分别取1∶0.4、1∶0.5、1∶0.6、1∶0.75、1∶1,以PCM热焓和渗透率为评价指标,结果如图1所示。
由图1实验结果可知,当芯壁比低于1∶0.75时,壁材质量低无法完全包裹芯材;当芯壁比为1∶1时,壁材比例高能形成包覆完全的PCM,但由于密胺树脂交织聚合导致壁材增厚,渗透率小为1.1%,PCM潜热不足,相变焓为89.9 J/g,储热性能被降低。相比之下当芯壁比在1∶0.75时,制得的PCM在热焓(105.5 J/g)和渗透率(3.2%)上取得良好平衡,整体性能更优。

3.1.2 合成转速对PCM热焓和渗透率影响

实验过程中搅拌速率分别选取200、300、400、500 r/min和600 r/min,以PCM热焓和渗透率为评价性能指标,结果如图2所示。
由图2实验结果可知,PCM焓值随搅拌速度升高呈先上升后下降规律,渗透率规律与其相反。在转速为500 r/min时制得的PCM在热焓(107.5 J/g)和渗透率(3.6%)上取得良好平衡,整体性能更优。这是由于当搅拌速度过低时,缩聚反应产生的不溶性高分子无法充分分散并包覆芯材;当搅拌速度过高时,体系处于高速移动状态,无法提供相对稳定包覆环境。

3.1.3 合成温度热焓和渗透率影响

实验过程中反应温度分别选取55、60、65、70、80℃,以PCM热焓和渗透率为评价性能指标,结果如图3所示。
由图3实验结果可知,随合成温度升高,PCM相变焓值呈先增大在减小规律,渗透率与其相反。在合成温度为65℃时制得的PCM在热焓(107.5 J/g)和渗透率(3.6%)上取得良好平衡,整体性能更优。造成上述现象原因可能是在温度较低时,预聚体活性低,聚合反应速率慢,生成密胺树脂交联度不够,包覆效果差;但温度过高,缩聚反应速率太快,导致大部分预聚体还未对芯材完成包覆时就已经发生自聚反应,使得PCM中芯材较少,相变焓值降低。

3.1.4 合成时间对PCM热焓和渗透率影响

实验过程中保持其他影响因素不变,反应时间分别选取1、2、3、4、5 h,以PCM热焓和渗透率为评价性能指标,结果图4所示。
由图4实验结果可以看出,随合成时间延长,PCM相变焓值出现先增大后减小规律,渗透率规律与其相反。在反应时间为4 h时,制得的PCM在热焓(107.5 J/g)和渗透率(3.5%)上取得良好平衡,整体性能更优。这是由于反应时间短时,囊壁反应不够充足,所制备PCM囊壁致密性不高,易于泄露,反应时间过长时,则容易导致PCM粘结在一起导致性能变差。

3.1.5 合成pH对PCM热焓和渗透率影响

实验过程中保持其他影响因素不变,实验反应pH分别选取3、3.5、4、4.5、5,以PCM热焓和渗透率为评价性能指标,结果如图5所示。
由实验结果可知,随体系pH升高,PCM相变焓值呈先增大后减小规律,渗透率规律与其相反。在pH=4.5时,制得的PCM在热焓(106.8 J/g)和渗透率(3.1%)上取得良好平衡,整体性能更优。造成上述现象的原因可能是在pH较低时,缩聚反应速率太快,导致大部分预聚体还未对芯材完成包覆就已经发生自聚反应。随pH升高时,聚合反应速度变慢,壁材对芯材包覆较完全。而pH过高时,使聚合反应反应速率较慢,生成密胺树脂交联度不够,导致包覆效果较差。
综合以上考虑,较优制备条件为芯壁材料质量比1∶0.75、合成搅拌速率500 r/min、合成搅拌时间4 h、合成搅拌温度65℃、合成pH=4.5,较佳制备条件下合成的PCM热焓为107 J/g、渗透率为3.2%。

3.2 PCM性能评价及特点

对较优条件下制备的PCM进行微观形貌和化学结构评价。

3.2.1 PCM形貌

从图6可以看出,采用最佳工艺条件制备的PCM颗粒饱满且表面光滑,但明显能看到微胶囊之间存在着团聚现象,这提示我们在后续处理或应用中可能需要进一步考虑分散性的问题;PCM粒径分布较为均匀,扫描区域内粒径大都分布在1~2 μm之间,这种均匀的粒径分布不仅有利于产品性能稳定,也为后续应用处理提供便利和灵活性。

3.2.2 PCM化学结构

分别对芯材石蜡、壁材密胺树脂和PCM进行红外光谱分析,结果如图7所示。
由图7分析结果可知,芯材石蜡在2 916、2 853 cm-1附近出现强度较高的甲基、亚甲基伸缩振动峰,1 462 cm-1附近出现其弯曲振动峰,说明主要为烷烃结构。715 cm-1处的吸收峰属于—CH2—的面内摇摆振动峰。由壁材密胺树脂红外光谱图可以看出,在3 315 cm-1处出现了属于N—H键的特征吸收峰,1 569 cm-1处还有三嗪环的伸缩振动峰,811 cm-1处的吸收峰属于三嗪环的变形振动峰。由PCM红外光谱图可以看中,这些特殊吸收峰均得到了明确体现。这些峰值的共存不仅展示了PCM内部芯材(石蜡)和壁材(密胺树脂)的各自特征,也充分证明了所采用的PCM制备工艺能够成功地将芯材石蜡有效地包覆在壁材之中。

3.3 PCM规模放大和长期储存性能

按照优化后PCM制备条件,成倍数增加每次制备实验试剂用量,进行20倍放大量PCM制备实验,同时对小剂量和放大后PCM进行6个月室温储存实验,分别对其热焓和渗透率进行分析,结果如表1所示。
由表1实验结果可知,无论采用小规模制备还是放大量制备PCM样品,在室温下储存6个月后,其热焓与渗透率关键性能均保持相近水平。这表明,经过优化的PCM制备条件不仅科学合理,而且在实际应用中展现出良好的可行性与稳定性。

3.4 PCM调温效果

取PCM和壁材密胺树脂,分别装入铝箔管中,中心插入温度传感器。在程序控制升温和降温条件下对比温度变化。环境箱最高设定温度为75℃,最低设定温度25℃。结果如图8所示。
由图8可知,壁材与PCM在升温段(44~55℃)和降温段(48~36℃)都有明显的温度滞后区间(表征芯材相变温度区间30~50℃)。对PCM与壁材树脂温度差变化做曲线,如图9所示。
由图9可知,升温时微胶囊因相变吸热,升温速率低于壁材树脂,在相变温度区间会产生负值温差,最大温差为-7.2℃;降温时微胶囊因相变放热,降温速率低于壁材树脂,降温段相变温度区间大约在在相变温度区间会产生大的正值温差,最大温差为+6.5℃。
在恒温箱中对PCM进行多次升降温处理,考察其使用性能随着使用升降温次数衰减情况,结果如图10所示。
由图10结果可知,合成PCM经多次升降温作用,升温和降温过程主要相变温度区间和最大温度差峰值的大小和对应峰值温度没发生明显改变,表明实验室合成PCM具有很好抗热衰减性能。

4 结论

本研究通过系统实验优化了石蜡-密胺树脂相变材料(PCM)的制备条件,并对其性能进行了评估。实验结果表明,在芯壁质量比1∶0.75、搅拌速率500 r/min、搅拌时间4 h、搅拌温度65℃、体系 pH=4.5的条件下,制备的PCM具有优异的性能:热焓值达到107 J/g,渗透率仅为3.2%,粒径分布均匀,且在囊壁强度和导热性方面表现突出。进一步的放大实验验证了该制备工艺的可扩展性,成功实现了等比例放大20倍。更为重要的是,经过6个月的储存周期和60次热循环测试,PCM的焓值、渗透率和调温效果均保持高度稳定,未见明显变化。
这些结果与本研究的初衷——开发高性能、高稳定性的PCM——高度契合,验证了优化制备条件的有效性。与现有研究相比,本研究在制备条件的精细调控及PCM性能的提升方面更具优势,尤其在长期稳定性方面表现卓越。然而,本研究在极端环境下的性能验证方面仍有不足。未来工作将重点探索PCM在复杂工况下的应用,并进一步拓展其在不同领域的应用范围,为热管理领域提供更全面的解决方案。

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