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  隨著環(huán)境污染和能源危機的日益加劇，開發(fā)清潔能源顯得格外重要。太陽能作為一種清潔能源受到廣泛關(guān)注。過去幾十年中，光伏產(chǎn)業(yè)也因此發(fā)展迅猛（圖1），但光電轉(zhuǎn)換效率仍然很低，對太陽能的利用率不高。大部分照射到地球上的太陽光轉(zhuǎn)化成了熱能，如果能將這部分熱能充分的利用起來，將會極大的提高太陽能的利用率。相變材料（phase change materials, PCM）的相變儲能是最有效的儲存熱能的方法之一。相變材料是指在恒溫的相變過程中可以吸收或釋放大量熱能的材料。水是最常見的相變材料，1公斤0 °C的水轉(zhuǎn)化為1公斤0°C的冰會釋放333千焦的熱量，這些熱量足以讓1公斤水從1°C加熱到80°C（圖2）。與顯熱儲能相比，相變儲能具有較高的蓄熱能力和等溫特性。

圖1. 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)

圖2. 水的潛熱和顯熱對比

  相變材料可分為無機相變材料和有機相變材料兩種。和無機相變材料相比，有機相變材料具有自成核、共融、沒有相分離和過冷度低等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。但是有機相變材料存在相變時體積變化大、泄露和熱導(dǎo)率低的問題，限制了其應(yīng)用。將相變材料微膠囊化是現(xiàn)在最常用的方法之一，即將相變材料包覆在殼層內(nèi)（圖3）。這樣不僅可以有效防止泄露問題，提高了其穩(wěn)定性，而且可以顯著提高相變材料和基體材料的接觸面積，進而可以提高熱傳導(dǎo)。

圖3.相變材料微膠囊

  很多聚合物材料已經(jīng)被用作相變材料微膠囊包覆的殼層材料，比如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、脲醛樹脂和蜜胺樹脂等。微膠囊化技術(shù)常采取的技術(shù)方法有原位聚合法、界面聚合、懸浮聚合、乳液聚合、溶膠-凝膠法等，然而這些反應(yīng)都需要大量的表面活性劑，反應(yīng)過程比較復(fù)雜，也不符合綠色生產(chǎn)的要求。皮克林（Pickering）乳液是用固體顆粒穩(wěn)定的乳液，以Pickering乳液為模板制備相變材料微膠囊是一種比較簡單和環(huán)保的方法，與傳統(tǒng)乳狀液相比，不使用表面活性劑，具有更好的穩(wěn)定性和可持續(xù)性等優(yōu)點。纖維素納米晶（Cellulose nanocrystal, CNC）是從天然纖維素中提取的棒狀納米材料（圖4），具有來源廣泛、機械性能強、水分散性好、比表面積大、表面易改性、生物相容性好和可降解等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。而且研究表明，CNC具有優(yōu)異的Pickering乳化性能。

圖4. 纖維素納米晶的SEM圖像

  華南師范大學(xué)周國富教授團隊張振特聘研究員和加拿大滑鐵盧大學(xué)Kam C. Tam教授合作，以CNC為乳化劑構(gòu)筑了油相為石蠟和苯乙烯的水包油Pickering乳液，然后通過Pickering乳液聚合，制備了以石蠟(PW)為芯材、聚苯乙烯(PS)為殼層、CNC為殼層增強材料的相變材料微膠囊(PW@PS/CNC)。PW@PS/CNC的潛熱能高達160.3 J/g，包覆率達到83.5%。在冷熱循環(huán)100次后，仍能保持99.3%的潛熱能，具有較高的穩(wěn)定性。石蠟是一種烴類混合物，根據(jù)烷烴的C原子數(shù)不同，其相變溫度在47℃~64攝氏度之間，是比較常用的相變材料，本文使用的石蠟相變溫度在58℃~62℃之間，可以應(yīng)用在保溫杯、暖手袋和醫(yī)用熱敷材料等領(lǐng)域。在Pickering乳液聚合中，交聯(lián)的聚苯乙烯由于界面張力逐步在界面形成相變材料的殼層，CNC嵌在殼層中，提高了相變材料的穩(wěn)定性和機械性能。此外，為了進一步探究以CNC穩(wěn)定的Picking乳液為模板制備PCMs微膠囊的應(yīng)用范圍，以及尋找更加綠色的相變材料，本項目也將脂肪酸作為相變材料，成功構(gòu)筑以椰子油（coconut oil, CO）為芯材、聚苯乙烯為殼層、CNC為殼層增強材料的PCM微膠囊(CO@PS/CNC)，椰子油的相變溫度在25℃左右，可以應(yīng)用在節(jié)能環(huán)保建材和智能織物等領(lǐng)域。該成果以 “Microencapsulation of Phase Change Materials with Polystyrene/Cellulose Nanocrystal Hybrid Shell via Pickering Emulsion Polymerization”為標(biāo)題發(fā)表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。DOI：10.1021/acssuschemeng.9b04134。

  在本論文中，作者以石蠟、苯乙烯、引發(fā)劑AIBN和交聯(lián)劑DVB為油相，以CNC為乳化劑，制備了水包油Pickering乳液，通過苯乙烯和DVB的聚合和交聯(lián)，在乳液液滴內(nèi)生成的交聯(lián)PS不能溶在油相中，由于界面張力的作用遷移到油水界面處繼續(xù)交聯(lián)形成殼層，合成路線圖如圖5所示。

圖5. 制備相變材料微膠囊的示意圖

  本項目中，作者首先制備了CNC穩(wěn)定的石蠟Pickering乳液，并沒有包覆交聯(lián)PS殼層，其中PW@CNC1、PW@CNC2、PW@CNC3樣品中作為水相的CNC分散液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為0.1%、0.2%、0.5%，它們的熱穩(wěn)定性和潛熱隨著CNC含量的增加顯著的增大(圖6.c,d,e)，但是其熱穩(wěn)定性仍然不能滿足要求。項目中制備的PW@PS/CNC具有極好的熱穩(wěn)定和較高的潛熱(160.2J/g)，其漿料在冷熱循環(huán)了100次后能達到99.4%的穩(wěn)定性(圖6.f)。通過與純石蠟的熱焓相比較，計算得到PW@PS/CNC的包覆率達83.5%，并且通過其SEM圖像(圖7)可以看出PW@PS/CNC具有規(guī)整的類球形結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)過100次熱循環(huán)后仍然保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，CNC仍然嵌在PW@PS/CNC的表面上。

圖6. PW(a)和PW@PS/CNC粉末(b)的DSC曲線. PW@CNC1 (c), PW@CNC2 (d), PW@CNC3 (e),和PW@PS/CNC (f)漿料的VP-DSC曲線及第1次(實線)和第100次(虛線)加熱-冷卻掃描曲線。

圖7.PW@PS/CNC的SEM圖像，第1次循環(huán)(a)和第100次循環(huán)(b)的SEM圖像

  通過測試PW@PS/CNC漿料對實際系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)能力，對其蓄熱性能進行了研究。把裝有相同質(zhì)量PW@ PS/CNC漿體和水的容器浸入設(shè)定溫度的水浴中，然后記錄PW@PS/CNC漿料和水的溫度隨時間的變化。圖8 a, b分別顯示了PW@PS/CNC漿料和水在加熱(圖8a，水浴溫度85 ℃)和冷卻(圖8b，水浴溫度25 ℃)過程中溫度隨時間的變化。在加熱過程中，將水的溫度從25℃提高到70℃只需要3分鐘，而PW@PS/CNC漿料則需要13分鐘。冷卻過程中，水從85℃降至30℃需要4分鐘，而PW@PS/CNC漿料冷卻到30℃則需要16分鐘。

圖8. PW@PS/CNC,CO@PS/CNC的儲熱性能測試

  本項目通過對石蠟的成功包覆證明了以CNC穩(wěn)定的Picking乳液為模板制備相變材料微膠囊的可行性，這是一種非常高效、經(jīng)濟、綠色的方法生產(chǎn)PCMs微膠囊。以石蠟為相變材料的微膠囊可以應(yīng)用在保溫杯、暖手寶等領(lǐng)域(圖9)，利用相變材料的相變過程將熱量迅速吸收使水溫降到合適的溫度，并較長時間保持在這個溫度。本項目探索了一種利用CNC穩(wěn)定的Pickering乳液制備相變材料微膠囊的技術(shù)和應(yīng)用，相變材料微膠囊具有可設(shè)計的特性，可以通過調(diào)節(jié)相變溫度和殼層等條件，使相變材料具有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如應(yīng)用在建筑、紡織、農(nóng)業(yè)、食品保溫、航天航空、消防等領(lǐng)域。

圖9.產(chǎn)品的應(yīng)用：恒溫杯和暖手寶等

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.9b04134