導熱相變微膠囊是由聚合物或其他無機材料作為殼材，內部充填具有相變特性物質的的微小膠囊結構，既能在特定溫度范圍內發生物理相變，實現熱量的傳遞，也能為傳統相變材料提供良好密封保護，解決傳其在相變過程中存在的泄漏、腐蝕、相分離、體積變化等問題。然而由于相變微膠囊存在殼材以及結構的限制，熱導率低、機械強度和熱穩定性差等缺點逐漸顯現，限制實際應用范圍。為了提升導熱相變微膠囊的熱導率，對相變微膠囊進行改性不失為一種有效途徑。

微膠囊相變材料懸浮液以及微膠囊結構示意圖（來源：科協之聲）

目前相變微膠囊改性的一般是改變其組成或結構，因此一般可分為芯材改性和殼材改性：

一、芯材改性

單一相變材料作為芯材的微膠囊溫度可控范圍較窄，無法滿足不同溫度范圍熱管理要求，因此對芯材的改性主要目的是調節相變溫度和增強熱性能，可以用多元相變材料作為芯材或在單一相變芯材內添加改性材料來實現：

1、多元相變材料

多元相變材料通常是將含有不同分子量的相變材料混合在一起或通過混合2種或2種以上有機聚合物來制備共晶有機聚合物，其相變溫度可通過控制相變材料的質量比來調節，因此具有可控制熔融溫度和相變焓的大小以及具有明顯的熔融溫度和體積存儲密度的優勢。

二元碳酸共晶鹽微膠囊的合成^【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、導電聚合物、金屬、非金屬納米顆粒等幾種。相比而言，在芯材中添加碳基材料，相變微膠囊的熱導率提升最為明顯。因此，為了平衡考慮熱導率與儲能密度問題，在芯材中添加碳基材料可以更好地提高相變微膠囊的導熱性能。目前，常用作芯材改性的碳基材料包括單壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯（GO）、單層石墨烯，熱導率分別約為3500W/(m·K)、3000W/(m·K)、3080~5150W/(m·K)、5300W/(m·K)。

然而由于碳納米管（CNTs）和GO與大部分有機芯材不相容，尤其是芯材相變時，黏度降低，碳基材料易團聚，影響熱能的傳遞，并且芯材在相變過程中容易產生過冷現象，降低相變熱焓。因此，為了抑制芯材的過冷現象并達到增強導熱性能的最佳效果，可先將碳基材料與相變材料接枝提升相容性，再與芯材混合制備相變微膠囊。

未改性（左）與單壁碳納米管改性后（右）的正十八烷芯相變微膠囊

二、殼材改性

微膠囊外部常見的外部殼材可分為有機高分子材料和無機材料，前者又可分為合成高分子材料（如聚脲、聚苯乙烯、聚氨酯、脲醛樹脂等）、天然高分子材料（如動物植物蛋白及其水解產物、多糖）以及半合成高分子材料（如羧甲基纖維素鈉、羥丙基纖維素等天然產物的衍生物）；而后者無機材料主要包括碳酸鈣、硅酸鹽、二氧化鈦、二氧化硅等。

一般來說，有機殼材的結構柔韌性更好，但導熱性、熱穩定性和機械耐久性較差，無機殼材則相反。為了同時提升殼材的機械強度和熱穩定性，為芯材提供充足的保護，可將殼材進行雜化改性或多層殼改性。

1、雜化改性

雜化改性是在殼材中添加改性材料，形成具有雜化殼的單殼層改性相變微膠囊，根據殼材類型分為有機-無機材料雜化、多種有機材料復合、多種無機材料復合。

其中有機-無機材料雜化因結合了有機和無機材料的優點，改善了相變微膠囊外殼的性能，為相變微膠囊的殼層提供了更為完整的導熱網絡，是相變微膠囊應用最廣泛的雜化改性方式之一，目前可以通過在有機聚合物中添加高導熱性、高比表面積和低密度等特性的碳基材料（石墨烯、氧化石墨烯、碳納米管等）、金屬納米顆粒、陶瓷材料等（氮化硼、）制備分子級或者納米級的雜化殼相變微膠囊。

有機-無機雜相變微膠囊^【1】

2、多殼層改性

多殼層改性是對不同外殼材料進行層間排列，形成具有分層復合外殼的相變微膠囊，一般可將二次殼層材料在已經制備好的單殼相變微膠囊上聚合、氧化、鍍層、自組裝或沉淀等，也可以直接在相變微膠囊制備過程中形成多殼層。

目前，多殼層改性主要聚焦于雙殼層相變微膠囊，已經報道的多殼層相變微膠囊與耐高溫材料、純金屬材料和電活性材料等的結合較多，除了可減少相變材料的泄漏率、提高熱傳導率和改善相變微膠囊的性能外，還能結合不同功能屬性的殼層實現多功能化。

小結

導熱相變微膠囊由于殼層的存在，存在熱導率低、機械強度和熱穩定性差等缺點，可從材料本身特性入手對其芯材和殼材改性，提升綜合性能和應用價值。芯材改性主要是采用多元相變材料或添加改性材料，可調節相變溫度和增強熱性能。在殼材改性上，多殼層改性則重在改善熱穩定性和力學性能，增強相變微膠囊實際應用性能和循環壽命。而雜化殼改性的材料選擇范圍廣、改性形式多樣、改性效果顯著，是目前最主流的改性方式。

參考文獻：

1、郝旭波,牛寶聯,郭昊天等.相變微膠囊改性及其在光熱轉換中的應用[J].化工進展.

2、王程遙,張魏,張濤等.相變微膠囊材料導熱增強研究進展[J/OL].精細化工.

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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