华南师范张振副研究员CEJ：纤维素纳米晶和相变材料微胶囊相关研究取得新成果

点击上方“蓝字” 一键订阅

基于相变材料（PCM）的热能存储技术在温度调节和蓄热方面都具有广阔的应用前景。固液相变材料在相变过程中会在固液之间互相转变，从而产生的流动、泄漏等问题，严重阻碍了其应用。利用有机或无机壳层封装相变材料制备相变微胶囊可有效防止相变材料的泄漏，增强相变材料的热传导。然而目前通过乳液模板法制备相变微胶囊，大都使用表面活性剂并且制备过程繁琐，大量表面活性剂的使用不仅会对环境造成污染，还会降低相变微胶囊壳层的使用寿命。因此寻找合适的制备方法和工艺，制备出更加稳定和高性能的相变微胶囊仍是一个挑战。

针对以上问题，张振副研究员团队以纤维素纳米晶（CNC）稳定的皮克林（Pickering）乳液为模板，采用原位聚合法制备了具有密胺树脂（MF）壳层的PCM微胶囊（图1）。并选取了相变温度分别为60℃和25℃的石蜡（PW）和十八烷（C₁₈）作为相变材料。CNC是一种棒状纳米纤维素（闪思科技ScienceK），通常从木浆或棉花中通过H₂SO₄水解提取。CNC因其优异的Pickering乳化能力、可再生性、生物降解性、生物相容性、机械性能、良好的水分散性和大的比表面积，被证明是一种优异的Pickering乳液稳定剂。与零维的球形颗粒相比，高纵横比的一维棒状CNC在界面处形成致密的二维界面网络，因此相比于传统的利用表面活性剂制备的乳液，CNC稳定的皮克林乳液具有更好的生物相容性、可持续性和稳定性。

图1. 以CNC稳定的皮克林乳液为模板通过原位聚合制备相变微胶囊

该团队通过对样品的DSC和TGA测试（图2）分析得出，PW和C₁₈微胶囊的相变焓分别高达164.8和185.1 J/g，对应PCM芯材含量分别为87.0%和84.3%。PCM微胶囊在200℃以下保持稳定，经过200次加热－冷却循环后相变焓保留率达到99.7%，呈现出优异的热稳定性，可以满足实际应用的需求。

图2. (a) PW、PW微胶囊和PW3MF微胶囊的DSC曲线；（b）PW微胶囊DSC循环曲线图。（c）C₁₈和C₁₈微胶囊DSC曲线图；（d）PW、C₁₈、CNC、PW和C₁₈微胶囊的TGA曲线。

该团队进一步对PCM微胶囊在温度调节领域的实际应用做了探索。水具有较大的比热容，与同等质量的水相比，PW微胶囊浆料表现出更好的温度调控效果（图3a和b）。当环境温度高于相变温度时，PW微胶囊通过相变吸收大量的热；当环境温度低于相变温度时，PW微胶囊通过相变释放大量的热。通过与纯PVA膜相比，C₁₈微胶囊掺杂的PVA膜也表现出较好的温度调节能力（图3c）。此外，由于MF壳具有一定的阻燃特性，赋予PCM微胶囊具有自熄灭性（图4），因此在节能建筑、室外不间断电源、电池、智能纺织品等领域具有广泛的应用价值。

图3. 在78℃水浴中加热(a)或19℃水浴中冷却(b)时PW微胶囊浆料温度的变化;(c) PVA膜(左)和C₁₈/PVA复合膜(右)在热台上加热时表面温度的变化。

图4. (a) PW(左)和PW微胶囊(右)粉末的高温加热试验; PW (b)和PW微胶囊粉末(c)的自熄试验；(d) PW微胶囊粉末燃烧后的SEM图像。

以上研究成果以Phase change material microcapsules with melamine resin shell via　cellulose nanocrystal stabilized Pickering emulsion in-situ polymerization为题发表在Chemical Engineering Journal。该论文的第一单位为华南师范大学华南先进光电子研究院，论文第一作者为2019级硕士生张哲，文章通讯作者为张振副研究员、王新副研究员和周国富特聘教授。本论文得到广东省自然科学基金面上项目、佛山市教育局高校教师特色创新研究项目、广州市科技计划项目和云南专家工作站等大力支持。

张振副研究员，本科毕业于华东理工大学，硕士毕业于华东理工和瑞典查尔姆斯理工大学，博士毕业于加拿大滑铁卢大学和法国波尔多大学，2019年加入华南师范大学华南先进光电子研究院周国富教授团队，主要研究方向为纳米纤维素（纤维素纳米晶）的制备、改性和应用，Pickering乳液，相变材料等，目前已经在ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Carbohydrate Polymers、Cellulose、Journal of Colloid and Interface Science 、Advanced Sustainable Systems和ACS Applied Nano Materials等期刊发表论文20余篇。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131164

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多