相变储能微/纳米胶囊的制备及其在建筑中的应用研究进展

杨春晓，谢德龙，司徒粤，黄 洪

（华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640）

进展与述评

相变储能微/纳米胶囊的制备及其在建筑中的应用研究进展

杨春晓，谢德龙，司徒粤，黄 洪

（华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640）

相变储能微/纳米胶囊在能源科学等领域发挥着日益重要的作用。本文系统介绍了相变微/纳米胶囊的制备方法，其中，相变储能微胶囊的制备方法主要包括界面聚合法、原位聚合法、凝聚法、悬浮聚合法等；相变储能纳米胶囊的制备方法主要包括细乳液聚合法和原位聚合法。着重阐述了相变储能微/纳米胶囊在现在建筑中的应用，主要是在混凝土、墙体、墙板及地板中的应用。提出目前存在的问题，如相变储能墙体在夏天高温时无法完成相变过程，及相应的解决方法。指出未来将以合成工艺优化、强化胶囊理化性能和改善与无机建筑材料相容为重点研究方向。

相变材料；微/纳米胶囊；制备；现代建筑；应用

近年来，随着经济的快速发展，我国面临着严重的能源和环境问题，能源高效利用已成为中国可持续发展的基本部分，绿色节能也日益受到人们的关注[1]。相变材料（phase change materials，简称PCM），是指在相变过程中能吸收和释放大量的相变潜热的材料，利用相变储能材料来协调热能供求在时间和强度上的不匹配是经济可行的方法[2]，因而它广泛地应用于能量储存和温度控制领域[3]。由于固-液相变材料在相变过程前后会产生表观相态变化等缺点，所以利用胶囊技术将具有特定熔点和结晶点的相变材料包裹到胶囊内部制备成蓄热调温胶囊成为近年来研究的一个热点[4-5]。

微胶囊技术是一种微型包装技术，它是将分散均匀的固体颗粒、液体或气体完全包封在聚合物薄膜中形成微胶囊的一种技术。相变储热微胶囊就是指将微胶囊技术应用于封装相变材料，制备出微米级（1～1000 μm）的胶囊，可在一定程度上解决相变材料的流动泄漏、相分离以及腐蚀性等问题。随着微胶囊技术的发展，可制备出粒径在1～1000 nm之间的胶囊，即纳米胶囊。近年来，随着对纳米胶囊的进一步认识，一些特殊的光、电、热、磁及表面性能等领域研究特别活跃，纳米胶囊已发展成一个跨学科、高性能、多用途的研究及应用领域[6]。相变储热纳米胶囊作为一种新型的相变储热复合材料，与相变储热微胶囊相比有其自身的特性：①相变纳米胶囊既保留了相变储热微胶囊本身优点，又由于胶囊粒径从微米级降为纳米级，使胶囊表面积与体积的比率增大，有效提高了相变材料的传热速率；②纳米胶囊颗粒更小，可以很好地分散到固体和液体中制成性能更加优异的功能材料，还大大降低了粒子之间碰撞破坏的可能性，改善了其加工性能，从而具有更高的应用价值，进一步拓宽了其应用领域。本文主要介绍相变储能微/纳米胶囊的制备技术及其在现在建筑上的应用研究进展。

1 相变储能微胶囊的制备方法

近年来，为得到相变潜热更大、囊壁机械强度更强、致密性更好、粒径分布更均匀，热导率和亲水性都符合要求的相变储热微胶囊，国内外的研究学者对其制备方法和工艺进行了深入研究。目前用于制备微胶囊的方法主要分为两类：化学法和物理法。其中的一些方法由于加工、管理过程的高成本费用或者有毒溶剂的使用而被限制[7]。物理方法主要包括喷雾干燥法、流化床法等，此方法制备的微胶囊都在100 μm以上；化学方法主要包括界面聚合法、原位聚合法、凝聚法、悬浮聚合法等。相对物理方法，利用化学方法制备的微胶囊具有方法简单、粒径小、性能优异等优点，因此目前相变储热微胶囊主要由化学法制得[8]。

1.1 界面聚合法

界面聚合法是两种以上的不相容壳材料单体分别溶解在不相容的两相中，芯材料在溶有壳材料单体的连续相中分散或乳化，在芯材料的表面两种单体聚合反应形成微胶囊。其基本步骤是：①芯材在溶有单体A的分散相中乳化和分散，形成微小的液滴，并形成油包水型乳液或水包油型乳液；②将所得乳液分散到连续相中，同时加入适当的乳化剂和反应单体B；③两种单体分别从两相内部向乳状液液滴的界面移动，并迅速在相界面发生聚合反应，形成聚合物，将芯材包裹形成微胶囊。这种制备微胶囊的工艺简单方便、成本低、效果好，并且可以在常温下进行。

刘太奇等[9]以聚氨酯为囊壁，以 Na2HPO4· 12H2O为囊芯，用界面聚合法成功合成了直径为2～10 μm的相变材料微胶囊。它在10～80 ℃的范围内，能够吸收或放出100～200 J/g 的热量，并且在吸、放热的过程中，温度不发生变化。这从技术上提高了相变材料的使用效率，拓宽了相变材料的应用领域。

Chen等[10]以TDI和EDA为反应单体，以硬脂酸丁酯为芯材，成功制备了相变储热微胶囊，并采用干重分析法、差示扫描量热法等对其性能进行了表征，测得微胶囊相变温度为 29 ℃，相变潜热为80 J/g，微胶囊粒径为20～35 μm。Zhang等[11]以2,4-二异酸甲苯酯为油溶单体，以各种胺为水溶单体，成功地合成了包裹有十八烷的相变微胶囊。通过观察其形态发现，以聚醚胺作为单体合成出的微胶囊相对以乙二胺或二乙烯三胺作为单体合成的微胶囊而言，表面更加致密光滑，粒度分布更集中。并且这些微胶囊能表现出更好的相变性能，具有更高的包封效率和更强的抗渗透性。此外，通过研究表明，当核/壳质量比为70/30时，作为相变材料微胶囊能表现出最佳的性能。Oana等[12]以环氧树脂和羧酸为材料通过界面聚合法合成了微胶囊，并用 SEM、NMP等对其进行了表征，结果表明：在较低搅拌速度下制备的微胶囊的直径为100～400 μm，在较高搅拌速度下合成的微胶囊直径10～50 μm。另外，交联剂的存在会影响微胶囊的外观形貌，加入交联剂微胶囊的表面会更加光滑。

1.2 原位聚合法

在原位聚合法制备胶囊的工艺中，芯材和介质混合形成乳液，而单体成分及催化剂全部位于芯材液滴的内部或外部。在微胶囊化体系中，聚合反应在芯材液滴的表面上发生，前提是单体可溶而其聚合物不可溶。该法的原理是在连续相中将壳材料的单体或预聚物溶解，在一定的反应条件下，使其在芯材的表面聚合沉积，最终覆盖在芯材上形成微胶囊。

孙凯等[13]以密胺树脂（MF）为壁材，以30#石蜡为芯材，制备出具有相变储热功能的微胶囊，并通过SEM、FTIR、DSC等手段对微胶囊的外观形貌、化学结构和热性能进行了表征。结果显示：制得的微胶囊表面光滑有突起，粒径在10～20 μm之间，相变温度为30 ℃，相变潜热为108.7 J/g ，具有良好的外观结构和热性能。

Zhang等[14]以用间苯二酚改性的三聚氰胺-甲醛树脂为壁材，以正十八烷为芯材，用不同的乳化剂，成功制备出了一系列的微胶囊，通过观察其形态得到，以苯乙烯马来酸酐共聚物钠盐作为阴离子乳化剂时，制得的微胶囊是最佳的。当芯材壁材质量比为75/25时，制得的相变微胶囊粒径为20 μm左右，抗渗透性强，相变材料包封效率最高，相变储热性能也最好。Fabien等[15]以密胺树脂为壁材，以不同的材料作为芯材，制备出一系列的微胶囊，并通过红外光谱、热分析等表征技术研究了微胶囊的结构和热性质，结果显示，其芯材与合成条件对微胶囊的热物理性质具有显著影响。并通过热分析得出，以磷酸氢二铵为芯材制得的微胶囊在热降解过程中表现出来的特性是由磷酸盐和三聚氰胺之间的交互作用决定的。Su等[16]以用甲醇改性的密胺树脂为壁材，以石蜡为芯材，制备出一系列的微胶囊，并通过FTIR、SEM、光学显微镜等对它们进行了表征。结果表明：用甲醇改性的方法可以通过增加交联结构从而减少甲醛的剩余量，随着对乳化剂搅拌速度的提高（1000～5000 r/min），微胶囊的粒径不断减小（27～2.5 μm），并且力学性能测试数据显示，用甲醇改性过的壁材的屈服点值更大，这就增大了其变形阻力。

1.3 凝聚法

相分离凝聚法的特点是：将芯材乳化或分散在溶有壁材的连续相中，然后采用改变温度、加入无机盐电解质成膜材料的非溶剂或加入与芯材相互溶解性更好的第二种聚合物等方法，使壁材溶解度降低从而使其从连续相中分离出来形成黏稠的液相（不是沉淀）包覆在芯材上形成微胶囊[17]。相分离凝聚法分为水相相分离法和有机相相分离法，水相相分离法又分为复凝聚法和单凝聚法。单凝聚法是通过能溶于水的聚合物非溶剂的作用，使水中的水溶性聚合物凝聚在乳化液滴表面并从体系中分离出来。复凝聚法是将两种带有相反电荷的水溶性高分子电解质胶体溶液混合，由于电荷互相中和引起成膜材料从溶液中凝聚从而包覆囊心的方法，其中复凝聚法是最常用的一种方法。

Onder等[18]用明胶和阿拉伯胶作胶囊壁材，以3种直链烷烃类相变材料正十六烷、正十八烷和正十九烷为芯材，通过复凝聚法制备了相应的相变储热微胶囊，并研究了它们加入机织物中后的储放热能力、耐久性以及热性能。经过测试得出：以正十六烷、正十八烷、正十九烷为芯材合成的微胶囊的相变潜热分别为144.7 J/g、165.8 J/g和57.5 J/g。A lvarado等[19]用差示扫描量热法测试了包封正十四烷微胶囊的过冷抑制特性，结果表明：成核剂和相变材料正十四烷的数量和种类对微胶囊过冷度具有影响显著。另外，当成核剂的质量分数为0～4% 时，正十四烷的熔点不受其控制。相反，其熔化潜热会随着成核剂量的增加而逐渐减低，其结晶起始点与冷却速度成反比。Özonur等[20]以天然的可可脂肪酸混合物作为相变材料，以不同的材料做为囊壁合成了不同的相变储能微胶囊，并通过不同表征手段测定了它们相变温度、平均粒径等特征。结果显示：微胶囊的平均直径为1 mm，在22～34 ℃的范围内，经过50多次的熔融和凝固过程，天然可可脂肪酸混合物仍可保持原有的几何形状而不发生改变。研究还发现明胶与阿拉伯树胶的混合物是胶囊化可可脂肪酸最好的壁材。

1.4 悬浮聚合法

悬浮聚合法是将单体、芯材、引发剂等溶于作为油相的的芯材中，然后将油相缓缓加入到含有分散剂、乳化剂等的水相中，然后通过加热的方法，引发单体聚合形成微胶囊。此方法主要是以不饱和烯类聚合物为囊壁制备相变材料微胶囊的合成方法。

You M ing等[21]以苯乙烯-二乙烯苯共聚物为壳材料，以十八烷为芯材，用悬浮聚合法制备了相变材料微胶囊。并研究了搅拌速率和单体/十八烷质量比对微胶囊平均粒径和相变性能的影响，用FTIR、SEM、DSC等表征手段测定了微胶囊的表面形貌、粒径、相变性能、热分解温度等。结果显示：微胶囊的粒径随着搅拌速率的增大而减小，当单体/十八烷质量比率为 1∶1时，微胶囊的热焓达到最高为－126 J/g，微胶囊的分解温度大约为230 ℃，高于以密胺树脂为壁材合成的微胶囊的分解温度。Sánchez-Silva等[22]以苯乙烯（St）和甲基丙烯酸甲酯（MMA）的聚合物为壁材，通过悬浮聚合法合成了相变材料微胶囊，并分别研究了单体/石蜡和MMA/St的质量之比对微胶囊包装过程和物理性质的影响，并通过DSC、TGA、ESEM等表征手段测定了微胶囊的热性质、表观形态、粒径分布等。结果表明：MMA/St质量比率对聚合速率有着重要的影响，随着MMA量的增多，反应时间和平均粒子粒径降低，另外，当单体/石蜡质量比低于3.0时，石蜡就不会被包封。实验结果还显示，当MMA/St质量比为 4.0，单体/石蜡质量比率为 3.0是合成此种微胶囊的最佳条件。Li等[23]以正十八烷为芯材成功制备了多种相变储能微胶囊，并系统地研究了引发剂类型和聚合温度对微胶囊的影响，通过SEM、DSC、TGA等表征手段对其进行了表征，结果表明：不同的共聚物壳不同的相变材料对微胶囊的热稳定性具有显著的影响，所有微胶囊在200 ℃进行热处理30 m in后还能保持其稳定性，但是热焓却为零，从此结果推测，微胶囊重量的损失可能是正十八烷的分解气体从完整外壳中渗透而引起的。

1.5 其它方法

除以上述几种方法之外，制备相变微胶囊还有相分离法、乳液聚合法等。Ahmet等[24]用细乳液装置制备了包封有正二十八烷的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）热储能微胶囊，并通过SEM、DSC、TGA等表征手段测定了微胶囊的表观形态、颗粒粒径、化学性质、热稳定性等。结果表明：微胶囊熔融和冻结温度为别为50.6 ℃和53.2 ℃，相变潜热分别为86.4 J/g和885 J/g，并且具有很好的化学稳定性，还具有良好的储热性能。Yang等[25]以正十四烷为相变材料，分别用3种不同的材料（AS、ABS、PC）为囊壁，用相分离的方法合成3种不同的微胶囊，并用FTIR、DSC、SEM等表征手段测定了它们的结构、形态、热容量等，讨论了壳/核心比率和壁材分子量对微胶囊封装效率和热容量的影响。结果显示：3种微胶囊的溶解焓均大于100 J/g，封装效率为66%～75%，粒径均小于1 μm。

Ahmet等[26]用乳液聚合法制备了聚甲基丙烯酸甲酯/正十七烷微胶囊作为新型的固-液相变储能微胶囊，通过SEM、DSC、TGA等表征技术得出：搅拌速率在 2000 r/m in以下时，微胶囊粒径在0.14～0.4 μm，表面致密而光滑，而且具有良好的热稳定性和热储能能力。他们[27]又进一步用正二十烷作为新型相变材料，以PMMA为壁材成功制备出相变储能微胶囊。通过SEM、PSD、DSC等表征得出：在搅拌速率为2000 r/min以下时微胶囊粒径0.7 μm，其熔融和冻结温度为别为 35.2 ℃和34.9 ℃，相应的潜热分别为84.2 J/g和87.5 J/g。在相当高的温度下微胶囊的热降解分为三步，并通过加快热循环证明其有良好的热可靠性，这些热性质表明微胶囊具有良好的能量储存能力。

2 相变储能纳米胶囊的制备方法

2.1 细乳液聚合法

细乳液聚合法是一种特殊乳液聚合方法，其体系由单体、乳化剂、助乳化剂、水及引发剂等组成，它与普通乳液聚合的区别在于，体系中引入了助乳化剂，并采用了微乳化工艺（MP），这样使原来较大的单体液滴被分散成更小的亚微液滴，以胶束形式存在的乳化剂将转移到亚微液滴表面上，胶束的减少使得单体亚微液滴成为细乳液聚合的主要场所。它具有一些独特的优点体系稳定性高，聚合速率适中，易于控制等，正因为如此，近几年对细乳液聚合的研究日益受到重视[28]。

Fang等[29-31]采用超声波工艺及细乳液原位聚合法，制备了以聚苯乙烯为壁材，以正十八烷为芯材的相变储热纳米胶囊，并系统研究了聚合因素包括引发剂、链转移剂、正十八烷/苯乙烯比率等对纳米胶囊形态和热物理性质的影响。结果显示最佳的反应条件为：引发剂 AIBN（质量分数，下同）为0.5%，链转移剂DDT为0.4%，复合乳化剂( SDS 和OP-10) 总量2%，质量比为1∶1，正十八烷与苯乙烯之比为1∶1。在这些条件下，纳米胶囊的平均粒径为124 nm，相变焓为124.4 J/g，乳液的质量浓度为20.6%时，热容量可高达11.61 J/(g·K)。热稳定性和黏度测试表明：相变储热纳米胶囊乳液稳定性高，黏度较小，适合作为功能热流体。

Li等[32]用两步溶液聚合法成功制备了以脲醛树脂为囊壁，以正十六烷为芯材的相变纳米胶囊。通过SEM、OM、DSC等表征手段测定了胶囊的粒径分布、表面形态、热性质等，并研究了表面活性剂（AS）的量对纳米胶囊性质的影响。结果表明：纳米胶囊表面光滑，平均粒径大约为 270 nm，在100 ℃下处理72 h后，胶囊结构也不会有明显变化。在一定的范围内，随着AS量的增加，相变焓从114.6 J/g增加到143.7 J/g，但是平均粒径从285 nm降到253 nm。正十六烷被包封到微胶囊中后，过冷度显著降低。Chen等[33]用正十二醇为芯材，苯乙烯-丙烯酸丁酯共聚物为囊壁，通过细乳液聚合法制备了相变材料纳米胶囊。并通过DSC、TGA、SEM、FTIR等表征技术测得了其形貌、粒径、热性质和结构，结果显示：当单体与十二醇质量比为1∶1时，纳米胶囊的相变焓和包封效率分别为109.2 J/g和98.4%，热分解温度大约为195 ℃，平均粒径为100 nm，相变温度为18.4 ℃，并且具有良好的储热性能。

2.2 原位聚合法

Baek等[34]选用了组成为乙烯丙烯酸共聚物（EAA）和苯乙烯丙烯酸共聚物（SAA）碱溶性树脂，采用树脂复合乳液聚合方法，制备了芯材为正十八烷的相变储热纳米胶囊，并用TEM、FTIR等表征技术对其进行表征，结果表明：当碱溶性树脂/正十八烷质量比为0.5时，胶囊粒径最小，分布最窄，最终制备的纳米胶囊储能和释放的相变潜热分别为49.8 J/g和47.9 J/g。A lkan等[35]以聚甲基丙烯酸甲酯为壁材，以正二十二烷为芯材，通过原位乳液聚合法，制备了平均粒径为160 nm的相变储热纳米胶囊，通过FTIR、SEM、DGA等表征技术得出：熔化温度和结晶温度分别为 41.0 ℃和

40.6 ℃，相应熔化潜热和结晶潜热分别为54.6 J/g和－48.7 J/g，制备的胶囊具有良好的储热稳定性，在储能领域具有良好的应用前景。Fang等[36]以正十四烷为芯材，脲醛树脂为囊壁，用十二烷基硫酸钠作为乳化剂，间二苯酚为改性剂，通过原位聚合法成功制备了相变纳米胶囊。通过DSC、SEM、TGA等表征手段观察了其表面形貌、热性质等。结果表明：胶囊平均粒径为100 nm，芯材也很好的被包封，正十四烷的质量含量高达60%，这使融化潜热高达134.16 J/g。另外，聚合时通过加入添加剂NaCl可以提高纳米胶囊的热稳定性。这说明纳米胶囊能够在热量存储和强化传热上较好地应用。

3 相变储能微/纳米胶囊在建筑中的应用

相变储能微/纳米胶囊可方便地应用到建筑节能领域，既可以将微胶囊相变材料直接与混凝土掺杂，又可以将其封装在内墙板、地板、天花板等普通建材中。当温度高于相变材料的熔点时，相变材料就熔化吸热，反之，当温度降低到其熔点以下时，相变材料就会凝固放热。这样可以减小室内温度的波动，减少空调等制冷设备或者取暖设备的负荷，从而可以达到节能的目的，这种技术在沙漠和温差较大的地区特别有效。

3.1 相变储能微/纳米胶囊在混凝土中的应用

混凝土是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称，它具有原料丰富、价格低廉、生产工艺简单的特点，同时还具有抗压强度高、耐久性好、强度等级范围宽等特点，因此是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料。但是它的储能能力还不够强，将相变储能微/纳米胶囊掺杂在混凝土中可以大大改善其储能能力。

胡大为等[37]通过采用微乳化技术，将水分散于常温相变储能石蜡中，用膜孔法以海藻酸钠进行包封，制得相变储能微胶囊；并将其与石膏基体复合，制得储能建筑材料。研究结果显示：相变含水石蜡微囊储能建筑材料的储能密度得到显著提高，在低于常温相变石蜡固-液相变温度下，其导热系数减小，储/放热时间明显延长，对环境温度的变化响应滞后时间加大，维持恒定温度的时间得到较大延长。

Schossiga等[38]将包覆石蜡的相变微胶囊成功融入到优化的建筑材料中，从而应用到传统建筑中。解决了传统PCM应用到建筑上的问题：微胶囊壳的存在阻止了相变材料与基质材料之间可能发生的反应，尺寸微小的胶囊分布提供了一个很大的热传导表面，这使储存和释放热量的速率有了明显的提高。并通过建筑模拟设计出有效的材料参数，使相变微胶囊能合理的应用的真实建筑中。Hunge等[39]对掺杂相变微胶囊的自密实混凝土的行为进行了实验研究，实验分别将质量分数（相对混凝土）分别为1%、3%和5%的相变材料微胶囊掺杂于混凝土混合物中，并测试新拌混凝土和硬化后混凝土的性质，包括强度测试、热性质的彻底评估等。研究结果显示，相变材料量的增加对新拌混凝土的性质几乎没影响，但会引起硬化混凝土导热系数的减少，热容量的增加，从而可以提高混凝土的热性质，可以更好地储能。例如，当掺杂5%的相变材料时，可以节约高达12%的能量。另一方面，强度上的重大损失和显微结构分析表明，在掺杂过程中大部分的微胶囊被破坏，从而将固体石蜡释放到周围基质中，但是试样的抗压强度仍然能满足大部分建筑应用的要求。Park等[40]为了有效消除混凝土结构中不断生长的真菌，就将包覆抗真菌材料D-柠檬烯的微胶囊加入到处于浇铸阶段的砂浆和混凝土中，混合过程中，微胶囊上Zeolite 和Zeocarbon能够加强膜的性能，减少混合和浇铸过程中引起的高度摩擦和破坏。另外，微胶囊释放真菌的速率通过改变渗透膜的厚度进行控制。实验通过扫描电镜（SEM）和高效液相色谱法（HPLC）研究了浇铸阶段微胶囊的破坏和生存情况，并通过模型板测试得出，真菌不会在加入微胶囊的砂浆板生长，却会在普通的砂浆板上大量生长，这说明了微胶囊具有高效的抗真菌作用。

Castell等[41]将相变材料微胶囊应用到地中海建筑中的两种典型材料（常规砖和齿槽砖）中，并做了更进一步的工作，将热泵作为制冷系统分别安装在用常规砖和齿槽砖建成的小房子中，来测量真实能量的消耗，为节能和CO2排放的减少量提供真实的数据，这相对于前人的工作有了很大的进步。实验结果显示，相变材料可以使最高温度降低达1℃，并且消除了日常的温度波动，2008年夏天加入相变材料的房屋电能消耗降低了大约15%，这使CO2每年的的排放量也减少了 1～1.5 kg/m2，这对能量节约和减缓全球气候变暖都具有重大的意义。Voelker等[42]将用石蜡微胶囊改进的石膏灰泥和CaCl2·6H2O等盐的混合物作为两种材料应用到建筑中来研究温度的变化，他们通过数学模拟对温度进行测定，结果显示，应用 PCM的建筑夏天最高温度可以降低 4 ℃，温度波动也会减小。Li等[43]通过混合和压缩的方法制备了一种六种物质复合的新型聚合物基定形复合相变材料，其中石蜡微胶囊作为潜热存储介质，高密度聚乙烯和木粉的混合物作为支撑材料。并加入微雾石墨（MMG）来提高热传导性。SEM图像显示，定形相变材料具有均匀的结构，大部分的石蜡为胶囊粒子没有被破坏，微胶囊的壳和基质阻止了固体石蜡的泄漏。DSC结果显示，定形相变材料的熔融和冻结温度以及潜伏热都适合潜在的潜热储能应用。热循环试验显示，相变材料在经过 100个熔融-冻结的循环后仍然具有良好的热稳定性。所有的结果表明：由于其具有适当的相变温度，较高的导热系数和胶囊致密度，以及良好的机械性质，定型相变材料在潜热储能方面有很好的应用前景。

3.2 相变储能微/纳米胶囊在墙体/墙板中的应用

王争军[44]选取了合适的芯材和囊壁，分别成功制备出单层壁材和复合壁材的相变储能微胶囊，并通过SEM、DSC等表征手段对其性能进行表征，结果显示复合壁材微胶囊的相变材料颗粒规则且不透明，囊壁致密石蜡不易流出，耐热温度可达150 ℃左右。另外分析了微胶囊相变材料的作用机理，并将微胶囊掺入普通墙体材料中，研究发现，随着温度的变化，相变材料能发挥出良好的储能效果，并大大减少温度波动，调节室内昼夜温差，并且也为太阳能等低成本的可再生资源创造了条件。这说明将微胶囊相变材料应用到各种建筑墙体中是非常有必要的。

Cabeza等[45]为了研发一种在建筑中具有显著节能作用的产品，在西班牙构筑了两所相同的房子，并将来自巴斯夫公司的一种相变材料微胶囊掺入其中一个房子的墙体中，对其机械强度和热性质进行测试。通过对照试验得出：加入相变材料的房屋的热惯性提高，内部温度降低，即达到最高温度所需要的时间延长达2 h。因此这项技术在夏天应用到建筑特别是商业大厦上具有重大的意义，因为2 h的延长意味着减少很多电能消耗。轻型建筑的主要缺点就是它们的热质量很低，通常会由于过冷和过热现象而产生很大的温度波动，为了增强轻型建筑的舒适性，减小温度波动，Kuznik等[46]通过两间试验房来研究加入相变材料微胶囊的影响，并通过数学模拟方法对其能量储存进行研究，分析了加入相变材料的墙板的热行为。结果显示：5 mm的相变材料墙板储能量比普通墙板的两倍还多，这相当于厚度大约为8 cm的相同混凝土。可以得出相变材料应用到轻型建筑中具有广阔的前景。

夹芯板是一种新型建筑材料，由于其在模块化系统中具有杰出的性能，目前在工程中得到了愈来愈广泛的应用。Castellón等[47]为了证明加入微胶囊相变材料（来自巴斯夫公司）的夹芯板热惯性增大的可行性，分别设计了3种方案制造相变材料夹芯板，第一种是将相变微胶囊和聚氨酯的混合物加入到夹芯板中，后两种分别在加入聚氨酯前（方案2）、后（方案3）加入相变微胶囊，并分别研究它们的热行为。结果显示，方案1的热导率提高，只有方案3的热惯性提高，方案2由于相变材料分布不好得到了不同的结果，后两种方案证明了微胶囊相变材料提高热惯性的可行性。

Borreguero等[48]以石蜡（Rubitherm RT27）为芯材，以聚苯乙烯为囊壁，通过悬浮聚合法制备了相变微胶囊，并改变芯/壳比例，研究胶囊包封效率，最后将其加入石膏板中，研究其储能能力。实验结果显示：石蜡与聚苯乙烯质量比越大，微胶囊包封效率越低。当胶囊粒径为500 μm，芯材/壳质量比为1.5时，微胶囊的储能能力达到最大。向石膏板中分别加入质量分数4.7%和7.5%的相变微胶囊，结果发现，加入的相变材料越多，外墙最高温度越低，最低温度越高，致使最高与最低温度可以减少到1.3 ℃，这使房屋的舒适度明显提高。Entrop等[49]将相变材料加入混凝土地板中，通过利用太阳能唯一方式帮助温带气候的夜晚的卧室取暖。实验取了4个相同的盒子进行研究，通过对照试验得出：加入相变材料的地板储能效率更高，热容量更大，并且最高温度能够降低达（16±2）%，最低温度提高达（7±3）%，可以显著提高卧室的舒适性，证明了微胶囊相变材料应用到地板中的可行性。

Lee等[50]将相变微胶囊作为建筑材料应用到墙体中来研究其储热性能。其中，微胶囊的熔点和相变潜热分别为23 ℃和211 J/g，机械强度在500 psi以下，加入的微胶囊的量为0～4 kg/m2，测试房间外的温度范围控制在－12～35 ℃。实验结果显示：随着微胶囊量的增加，温度波动逐渐减小，微胶囊加入墙体后，温度曲线比较平稳，另外还发现，当微胶囊的加入量大约为3 kg/m2时，墙体的节能量可以达到最大化。因此，微胶囊在建筑结构中的有效利用能够减少空调等电器的使用量，既可以节能，又可以减少温室气体的排放。Arce等[51]将相变微胶囊应用到混凝土墙体中，在一段时间内具有良好的效果，但是到了夏天，高温天气和强烈的太阳辐射会阻止微胶囊凝固而不能完成整个相变周期，这样就影响了其在墙体中储能的效果。于是他们在墙体外又多加了一个遮阳棚，来研究其对微胶囊活性、房屋舒适度等的影响。结果显示，安装遮阳棚后，最高温度降低了 6%，而且出现最高峰的时间在自由冷却时延长36%，在通风时缩短14%，房间舒适的时间也增加了10%～21%，微胶囊的活性时间也增加了4%～10%，这表明加入遮阳棚后对提高房间的舒适度具有重要的作用。但是由于室外高温的影响，微胶囊还是不能高效完成完整的相变循环，这需要进一步的实验研究。

4 结 语

随着全球工业的高速发展，全球能源日益短缺，能源形势日趋严峻。利用相变材料相变过程中的相变潜热来实现能量的储存和利用，有助于提高能源使用效率和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的研究方向。将相变材料利用胶囊技术包封起来应用到建筑方面，具有更重要的意义。首先，相变材料不会与建筑材料发生反应，因此不会影响到建筑材料的性能；另外，将相变材料包封起来再加入到建筑中更简单经济。加入相变材料后，既可以减少空调等电器的使用，有效节约能源，又可以减少温室气体CO2的排放。因此，无论从高效节能角度考虑，还是从环保角度考虑，相变微胶囊应用都具有非常光明的应用前景。

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Preparation of m icro/nano encapsulated phase change materials（PCM）and app lication to building

YANG Chunxiao，XIE Delong，SITU Yue，HUANG Hong
（School of Chem istry and Chem ical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

M icro/nano encapsulated PCM has played an increasingly important role in energy science and other fields. In this paper, preparation of micro/nano encapsulated PCM is reviewed. Preparation methods of micro encapsulated PCM (MEPCM) mainly include interfacial polymerization,in situpolymerization, coacervation suspension polymerization etc. Preparation methods of nano encapsulated PCM (NEPCM) mainly include miniemulsion polymerization andin situpolymerization. Applications of m icro/nano encapsulated PCM in modern buildings, such as concrete, wall, wallboard and floor board are described. Present existing problems and the corresponding solutions in the use of micro/nano encapsulated PCM are discussed, such as PCM could not complete full phase change cycles at a high temperature in summer. The future key research directions could be optim izing the synthesis process, strengthening the physicochemical properties of the capsule, and improving its compatibility w ith inorganic building materials.

phase change materials；micro/nano capsule；preparation；modern building; application

O 61

A

1000–6613（2012）09–1998–08

2012-04-12；修改稿日期：2012-04-22。

杨春晓（1989—），女，硕士研究生。联系人：黄洪，教授，研究方向为化工分离、精细化工及仪器分析。E-mail cehhuang@ scut.edu.cn。