相变材料微胶囊的研究与应用*

田 丽 武松梅 余 琴

安徽职业技术学院纺织服装学院， 安徽 合肥 230001

*安徽省高校自然科学研究项目(KJ2011Z216)

2017-05-30

田丽，女，1965年生，教授，主要从事染整教学与研究工作

相变材料微胶囊的研究与应用*

田 丽 武松梅 余 琴

安徽职业技术学院纺织服装学院， 安徽 合肥 230001

概要介绍微胶囊的定义和微胶囊化的目的及微胶囊材料的选择，综述相变材料微胶囊的主要制备方法和应用。

微胶囊， 微胶囊化， 相变材料

微胶囊技术的研究起源于20世纪40年代的美国。威斯康辛大学的沃斯特教授采用空气悬浮法制备了微胶囊，并成功运用于药物的包衣，防止了空气、光线等因素引起的药物变化，提高了药物的储存稳定性。20世纪70年代，美国国家航空与航天局成立了专门的机构研发调温纤维，主要目的是用于制作宇航员服装，于1988年研发成功，并将其商标注册为“Outlast”。Outlast是利用相变材料微胶囊(Micro-Encapsulated Phase Change Material，简称MEPCM)制成的调温纤维，广泛应用于户外服装、床上用品等。随着微胶囊技术的迅速发展，其应用领域不断扩大。本文首先简要介绍微胶囊的定义、微胶囊化的目的，以及相变材料微胶囊的定义和调温机理及材料选择，然后综述相变材料微胶囊的制备方法及其应用等方面的现状。

1 微胶囊的定义

微胶囊是使用成膜材料将功能性材料包裹而形成的微小粒子，其粒径一般为纳米至微米级，包在内部的物质称为芯、核或填充物，外面的成膜物质称为壳、壁或膜。微胶囊内部不仅可以包裹固体、液体材料，还可以包裹气体材料。

2 微胶囊化的目的

微胶囊化的目的是利用壁材包覆芯材，使芯材免受环境中水、光线等外界因素的破坏；可以起到隔离作用，防止各个成分之间发生不良反应；还可以降低芯材的挥发性、毒性，保护环境。还有，如果选择不渗透或半渗透材质的壳，通过物理或化学方法使壳破裂后，胶囊内的芯材将得到释放或缓缓释放。如香料、维生素和药物，使用半渗透壳制作的全封闭微胶囊加以包裹，则可以达到香味、维生素、药物缓慢释放的效果[1]。

3 相变材料微胶囊的定义和调温原理

相变材料微胶囊，是将具有特定相变温度范围的相变材料(Phase Change Material，简称PCM)作为芯材，再选择合适的壁材，通过物理或化学方法，实现壁材对芯材的包覆而制成的直径为微米、纳米级的微小粒子。

当外界环境温度高于相变材料的相变温度时，相变材料会发生相态改变(固态→液态)，此时相变材料需要从环境中吸热；而当外界环境温度低于相变材料的相变温度时，相变材料发生逆相态改变(液态→固态)，同时向外界环境放出热量。如此循环。由于相变材料发生相态改变的同时，伴有吸热和放热现象，使得相变材料微胶囊的表面温度始终保持相对恒定，所以相变材料微胶囊又称为蓄热调温相变材料微胶囊。图1所示为Outlast的工作原理。

图1 Outlast工作原理

4 相变材料微胶囊的材料选择

4.1芯材的选择

芯材即相变材料。根据相变材料的相态变化，可以分为固-液、固-固、固-气、液-气4种相变方式。固-气、液-气相变可以储存较多的热量，但是其相变过程中有大量的气体产生，使得微胶囊的应用难度增大，而固-固相变的潜热小，所以最适合储能的是固-液相变方式[2]16。

相变材料通常有无机类、有机类和复合类。常用相变材料的性能比较见表1[3]。

相变材料的选择原则：具有较大的相变潜热，在相变过程中能储存或释放更多热量；具有合适的相变温度范围；具有较好的稳定性(耐高温、耐水、耐机械加工)和耐久性，且不易泄露；具有较大的导热系数；相变可逆性好；相容性好，适宜与水性、油性和粉末混合，包括纺织整理液、涂料、油漆、砂浆、塑料、橡胶等；无腐蚀性，环保、成本低等。

表1 常用相变材料的性能比较

4.2壁材的选择

壁材有无机材料和有机材料，无机材料的力学性能不理想，因此常采用有机材料。无机壁材有二氧化硅等硅酸盐类；有机壁材有聚氨酯、三聚氰胺甲醛、甲基丙烯酸甲酯、脲醛树脂、壳聚糖、海藻酸盐等。为了获得壁材良好的综合性能，有时会将几种壁材混合使用，取长补短。

壁材的选取要考虑芯材的性质和微胶囊的应用需要。壁材和芯材的相容性要好，无腐蚀、无渗透；壁材的熔点要高于芯材的相变温度；壁材的成膜性、化学稳定性好，韧性高，且耐磨、耐热和耐水[2]16， [4]4。

5 相变材料微胶囊的制备方法

相变材料微胶囊的制备方法主要有物理法、化学法(聚合反应法)、物理化学法。其中，化学法制备的相变材料微胶囊的性能较好，粒径小、操作容易，所以目前制备相变材料微胶囊主要使用化学法，其中原位聚合和界面聚合的研究较多[5]135， [6]。

5.1原位聚合

在原位聚合反应前，芯材需分散成细小颗粒，在形成的分散体系中以分散状态存在。单体溶解在连续相中，并处于芯材的外部。单体聚合形成不溶性高聚物，其包裹在芯材表面，形成微胶囊。

邹黎明等[7]选择相变材料脂肪酸酯作为芯材、脲醛树脂作为壁材，由原位聚合法制成相变材料微胶囊，并通过扫描电子显微镜(即SEM)观察，得到的SEM照片显示相变材料微胶囊的直径约1.0～2.0 μm， 呈球体状；又通过差示扫描量热法(即DSC)测试出相变材料微胶囊的熔融和结晶相变焓值。

5.2界面聚合

界面聚合法使用的单体有水溶性和油溶性两种，一种作为分散相，另一种作为连续相，聚合反应方式为界面加成或界面缩合。在界面聚合反应前，将芯材分散在溶有一种单体的溶液中，加入乳化剂得到乳液，然后添加第二种单体，两种单体在界面处发生反应，形成的聚合物包裹在芯材表面，形成微胶囊。

冒海燕等[8]采用界面聚合法制备的聚酰胺包覆酞菁绿颜料微胶囊，其形状为规则的圆形，粒径达到纳米级。

原位聚合和界面聚合的优缺点和应用比较见表2[4]5， [9-10]。

表2 原位聚合与界面聚合的优缺点和应用比较

(续表)

6 相变材料微胶囊的应用

当相变材料微胶囊内部的芯材发生相变时，由于发生了溶解或凝固，需要伴随着吸热或放热，但在这个过程中，温度几乎保持恒定。相变材料微胶囊的这一特性使得其应用相当广泛，相信随着各种微胶囊技术的不断成熟，其应用将进一步扩大[11]。

6.1调温纺织品

将相变材料微胶囊添加至纺织材料的方式有多种。目前，主要采用将相变材料微胶囊加入纺丝液中的方式，并通过合适的纺丝方法制成调温纤维；也可采用浸轧或涂层整理方式，将相变材料微胶囊施加在织物表面，获得调温织物。在常见的纺丝方法中，熔融纺丝法的应用较多[12]。

含有相变材料微胶囊的纺织品，当外界环境温度变化时，芯材相态即发生转变，吸收或释放热量，以保持人体正常体温，使人体始终处于舒适状态。

6.1.1 服装及配饰

1993年日本Tringle公司将石蜡微胶囊加入纺丝液中，生产出调温纤维；2006年日本大和化学工业推出调温微胶囊产品[13]；2007年瑞士Schoeller公司开发出调温、亲水、透气面料，并具有防风功能[14]。

天津工业大学自20世纪90年代起，一直致力于智能调温纤维的研究，2010年张兴祥主持的项目“耐高温相变材料微胶囊、高储热量储热调温纤维及其制备技术”荣获国家技术发明二等奖。

相变材料微胶囊应用于内衣、内裤、衣服的衬里、毛衣、冬季外套等，调温效果良好；应用于抵抗能力较差的病人、老人和幼儿的服装，则可以减少这类人群的疾病发生率；还应用于户外用品，如户外服装、帐篷和睡袋等，已受到旅游爱好者的青睐。

鞋类产品包括鞋、靴及其内衬材料和鞋垫。调温鞋类产品能减少44%的流汗量，令双脚倍感舒适。使用了相变材料微胶囊的手套、袜子和帽子，可以更好地抵御严寒。

6.1.2 家纺产品

相变材料微胶囊可用于床垫、靠垫、被絮、枕头、睡袋和毛毯等家用纺织品，实现了冬暖夏凉，提高了消费者的生活品质。金华新佳家纺有限公司研发的自动调温被芯，就是相变材料微胶囊在纺织品上的成功应用。

6.1.3 职业服装

由相变材料微胶囊制成的调温纺织品，可用于制作军用常规服装、宇航服、飞行员保暖手套、军用冷热气候战靴、军用潜水服、军事隐身服装，运动服装、滑雪靴、高尔夫鞋、登山鞋，医用恒温绷带、病人被褥、手术服、卧床病人服装，以及特殊劳保服装及配饰，如消防服、炼钢服、耐高低温手套，等等。

6.1.4 产业用

相变材料微胶囊可应用于军用特种保温材料、汽车内饰材料、坐垫靠椅等。美国B.Pause公司在汽车内部如地板、车顶、座椅和仪表盘等使用相变材料微胶囊织物，结果车顶和座椅具有明显的调温效果[15]。

6.2建筑领域

可以把相变材料微胶囊加入水泥、石膏、涂料中，制成建筑物的墙板、地板、瓷砖和吊顶等，当环境温度变化时，相变材料微胶囊的芯材吸热或放热，减少了室内温度的波动，降低了空调的用电量，达到节能效果。

德国Basf公司把石蜡微胶囊制成的砂浆用于房屋的墙面，其蓄热能力是传统砖混结构墙面的10倍[16]。

西安建筑科技大学的尚建丽等[17]制备的以聚氨酯为壁材的相变材料微胶囊，在室温下的相变温度为19.02 ℃，保持了较高的相变焓(79.9 J/g)，实现了节能降耗，适合在建筑材料中使用。

6.3军事领域

通常，军事目标的温度高于背景温度，因此使用红外线成像仪可以准确地发现目标。将相变材料微胶囊应用于军事目标，当军事目标释放热量时，相变材料微胶囊的芯材会发生相变而吸收热量，使军事目标的红外辐射强度下降，从而达到隐身效果。具体做法很多，如将相变材料微胶囊与红外线吸收涂料混合涂覆在坦克表面，形成红外线吸收层；也可以将相变材料微胶囊埋置在液态发泡物质中，发泡后形成泡沫塑料；还可以将相变材料微胶囊浸轧或涂覆在织物上[18]。

6.4太阳能领域

太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，已经在很多生活、生产领域为人类服务。但由于白天、黑夜和不同天气条件的影响，太阳能在不同时间、不同地区的分配是不均衡的。如何有效存储太阳能，是人类一直在努力探索的课题。使用相变材料微胶囊，就是有效储存太阳能的方法之一。这种方法利于太阳能的合理分配和使用，提高其利用效率。

美国管道系统公司使用以水合无机盐做芯材的相变材料微胶囊制成一种贮热管，用来贮存太阳能，可以为家庭房间供暖[5]137。

6.5其他

利用相变材料微胶囊制成专门的房间，用来存放通信和电力等相关设备，可以提供这些设备所需的合适的工作温度。欧美有多家公司采用了此做法，保证设备正常运转。

将相变材料微胶囊与传热流体混合，使传热流体具备储热功能，在热量传输时，可以减小热流量，降低换热设备的功耗；相变材料微胶囊还可以用于飞机电子元件、雷达、磨床铣床及汽车的冷却等。

7 结语

随着经济的持续发展，能源供需矛盾将更加突出。相变材料微胶囊中芯材的相变过程伴随的吸热和放热，提高了能源的利用率，同时也解决了能源在时间和空间上不匹配的问题。因此，相变材料微胶囊的研究，在能源日趋紧张的今天，意义十分重大。目前，微胶囊技术离规模化大工业生产还有一定距离，还有很多需要解决的问题，如：有机高分子壁材的导热系数较低，这降低了相变材料微胶囊的应用效果；壁材的环保问题；微胶囊的粒径、均匀度问题；相变材料微胶囊的成本问题；等等。

随着相变材料微胶囊的研究发展和成熟，期待其在生产、生活中得到更好、更广泛的应用。

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Study and application of phase change material microcapsule

TianLi，WuSongmei，YuQin

School of Textile and Clothing， Anhui Vocational and Technical College， Hefei 230001， China

The definition of microcapsule， the purpose of microencalsulation， and the selection of microcapsule materials were briefly introduced. The preparation method and the application of phase change material microcapsule were reviewed.

microcapsule， microencalsulation， phase change material

TS195.2

A

1004-7093(2017)08-0001-05