纳米胶囊相变材料技术

虽然相变储能技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，但是由于相变材料在使用中存在着一些致命缺陷(如腐蚀性、不稳定性、过冷、传热性能差等)，特别是传热性能差，导致使用效果大打折扣。对于有机相变材料导热系数K值一般在0.1W/(K/M)左右，而无机相变材料K值在0.5W/(K/M)左右。导热系数低导致了相变材料储能、放热功率不高，无法充分利用相变材料储能容量，因而限制了其在工业上的大规模应用。将相变材料胶囊化是有效的改性方法之一。

胶囊化技术是一种用成膜材料把固体或液体包覆使其形成微小粒子的技术，其中包覆固体或液体的包覆膜称为囊壁，被包覆的固体或液体称为囊芯或芯材等。目前，最常用的胶囊化相变材料的粒径在μm量级，如作为热流体强化的潜热型微胶囊，可极大地强化流体的传热性能，但仍存在导热系数低、容易引起磨损破裂、堵塞管道等缺点，部分有机物相变材料还存在性能不稳定的问题[1]。特别是当相变材料应用到电子冷却领域时，由于微通道(microchannel)很小，微胶囊尺寸相对较大，容易引起管道堵塞，因而，像电子器件这种要求精密的领域，微胶囊已不能满足性能要求。为了更好的解决这些问题，胶囊尺寸需要进一步下降，这就诞生了纳米胶囊。

纳米胶囊是微粒粒径在1nm～1000nm之间的微胶囊，又称毫微囊。自上世纪70年代提出纳米胶囊概念以来，纳米胶囊逐渐成为新兴的热点，各种研究成果层出不穷。相变储能纳米胶囊是相变储能微胶囊进一步发展的结果。它不仅保留了微胶囊的技术优势(当形成微胶囊时，囊芯被包覆而与外界环境隔离，它的性质能毫无影响地被保留下来，而在适当条件下，壁材被破坏时又能将囊芯释放出来，这给使用带来许多的便利)，而且弥补了普通微胶囊相变材料的不足之处。由于胶囊尺寸从μm级降为nm级，使胶囊表面积与体积的比率增大，有利于提高相变材料的传热速率，因而进一步扩大了胶囊型相变材料的应用范围。同时，在使用过程中还可大大降低由于长时间的使用中粒子之间碰撞所造成的破坏。因此，近年来纳米胶囊相变储能技术研究逐渐成为一大热点。

相变储能纳米胶囊结构由囊芯和囊壁两部分组成。囊芯是固-液或固-固相变材料，其材料选择直接关系到传热和温度控制的性能。目前，可作为囊芯的固-液和固-固相变材料种类很多，主要有结晶水合盐、共晶水合盐、石蜡、脂肪酸类等[5]，其中以结晶水合盐和石蜡最为常用。壳材的选择对纳米胶囊性能起着决定性作用。针对不同的应用，对纳米胶囊的壳材有不同的要求。很多种无机材料和有机材料均可用作壳材，但高分子材料最为常用。同时，作为包覆相变材料的壳材必须与芯材及环境有很好的兼容性。首先，纳米胶囊芯材不能在可溶解壳聚物的溶剂中溶解，聚合物也不能在液态芯材中明显溶解；其次，壳材的使用温度必须高于内核的相变温度；在纳米胶囊的使用上，壳材不能溶解于环境中或者与环境发生反应。