基于无机壁材微胶囊相变材料的自组装制备及其机理研究

本课题将设计并通过自组装法合成一系列以硅基、钙基、钛基和锆基无机材料为壁、有机高级脂肪族烷烃为芯的微胶囊相变材料。研究此类基于无机壁材微胶囊相变材料的化学组成、形貌特征、壁材结构、相变行为、热稳定性、热传导性能、抗渗透性、力学性能、工作稳定性和长期使用性能；并研究合成过程中不同无机物种前驱体在有机烷烃油相液滴表面的自组装及反应机理。查明合成方法、路线及工艺参数对微胶囊的形态结构、各项性能及包覆效率的影响规律；同时建立微胶囊形态结构及无机胶囊壁材种类与含不同碳原子数有机烷烃相变材料的相变行为及综合性能之间的关系，阐明相关的相变机理。在此基础上开发出具有导热性好、壁材强度高、不易燃、热响应迅速、抗渗透性能优异、热稳定性高、相变可逆性和工作稳定性好、使用寿命长的新一代微胶囊相变材料，极大地拓宽其在节能环保、温度调控、能量储存及其有效利用等相关领域中的应用。

能量有效利用是当今可社会持续发展中的重要课题。本项目针对该领域中的热点：高性能微胶囊化相变材料设计及制备先进技术的研究开发为题，通过解决结构设计及合成技术中一系列关键科学问题，按计划完成了以SiO2、CaCO3、TiO2和ZrO四类无机物为壁材、有机烷烃为芯材的微胶囊相变材料的研究开发及相关合成机制和相变机理的基础研究工作。所取得的技术突破及创新成果如下：（1）利用相界面自组装原位缩聚法，以正硅酸四乙酯为硅源，设计并合成了SiO2包覆有机相变材料微胶囊，并在此基础上开发出以廉价水玻璃为硅源的SiO2壁材微胶囊及相关制备技术，为此类无机壁材包覆相变材料微胶囊的工业化制造提供科学依据和技术支撑；（2）运用相界面络合自组装技术，设计并合成了不同晶型CaCO3壁材包覆的相变材料微胶囊，并开发出壁材晶型和微胶囊形貌可控的相关合成技术及工艺；（3）突破了有机钛前驱体在水相中水解／缩聚速率难以控制的技术难题，利用非水相中“水包油”乳液模板自组装界面缩聚技术，成功地开发了形态规整、结构完美的球形TiO2包覆相变材料微胶囊及相关的制备工艺；（4）运用特殊的非水乳液模板自组装体系，设计并开发了ZrO包覆相变材料微胶囊及相关的合成技术及工艺；（5）通过对相变材料在无机微胶囊内的相转变行为及相变特征参数的系统研究，揭示出不同碳原子数对高级脂肪族烷烃在无机微胶囊内相变性能的影响规律及相转变机理；（6）通过对上述四类无机壁材包覆的相变材料微胶囊自组装合成机理的基础研究，为微胶囊的结构设计和合成工艺开发提高理论指导。利用本项目成果所开发的新型相变材料微胶囊，不仅具有胶囊粒径分布均匀、形貌规整、“壳－核”结构完美、壁材紧凑坚实的结构特征，而且显示出囊壁强度高、导热性好、过冷度下降、热响应迅速、多重热循环相变性能稳定、工作寿命长等性能优势。上述研究成果为新一代高性能基于无机壁材的微胶囊化相变材料的开发提供了重要的科学依据和技术支撑。在此基础上，还探索性地研究了非水乳液模板自组装合成中的结晶型TiO2和ZrO壁材的形成机制及控制方法，成功地在水热合成过程中实现了TiO2和ZrO壁材由无定形向结晶态的转变，研究发现结晶型TiO2胶囊壁具有光催化和抗菌功效，结晶型ZrO胶囊壁具有荧光激发发光特征；这些探索研究为相变材料微胶囊的功能扩宽，实现双功能或多功能相变材料微胶囊的设计和开发提供了科学依据。