多官能单体交联丙烯酸长链烷基酯共聚物基MicroPCMs的囊壁调控与储能性能

Phase change materials (PCMs) are very attractive energy storage materials attributed to their characteristic of storing thermal energy nearly isothermally via phase transition and their abilities to provide high energy storage densities. Acrylate monomers are promising for microencapsulated phase change materials (MicroPCMs) since they can synthesis various environmental-friendly polymer with diversity properties as shell materials. In this research, n-alkanes would be microencapsulated by long-chain methacrylate polymer shells due to their better affinities to n-alkane and good film-forming abilities. Multifuctional crosslinkers would be introduced to afford better mechanical strength of the polymeric microcapsules. Since the polymer shells play an important role in controlling the properties of the MicroPCMs, the chemical composition and structure of the polymer shells would be modulated to improve the thermal storage abilities and thermal reliabilities of the MicroPCMs. The formation of the internal composition and structure of the MicroPCMs and the structure feature of crosslinking network would be investigated and optimized to obtain a great thermal storage ability of the MicroPCMs. Besides, the stiffness and flexibility of the polymer shell would be altered to improve the mechanical strength of the MicroPCMs, thus to acquire a better thermal reliability of the MicroPCMs. Furthermore, the evolvement rule of the mechanical strength of the MicroPCMs in the process of thermal cycling test would be explored.

丙烯酸酯单体因其构筑聚合物的多样性及环保性，近年来在相变材料（PCMs）微胶囊化领域备受关注。本项目以丙烯酸长链烷基酯为单体合成聚合物囊壁，包封正烷烃类PCMs制备相变材料微胶囊（MicroPCMs），赋予囊壁柔韧性与易成膜性，提高其与正烷烃类PCMs的亲和性；引入多官能丙烯酸酯对囊壁进行交联以形成韧、硬、刚相均衡的囊壁材料，并通过囊壁调控实现高密度安全储能的集成化。从单体与交联剂组成与结构入手，阐明成囊过程中MicroPCMs精细微观内部相组成与结构的形成机理，明确囊壁聚合物交联网络结构与表面化学特征在PCMs包封中的作用，获得良好的包封结构以提高储能密度；揭示反复热交换-储能循环过程中MicroPCMs微观力学适应性能的演变规律，分析分子结构-力学性能-工作条件的相互关系，通过囊壁刚柔性调控优化储能可靠性，为开发新颖、安全、高效的高分子基复合相变材料提供新思路与理论依据。

丙烯酸酯单体因其构筑聚合物的多样性及环保性，近年来在相变材料（PCMs）微胶囊化领域备受关注。本项目以不同长度烷基侧链丙烯酸酯为单体，采用不同官能度丙烯酸酯单体对其进行交联改性；同时，引入聚脲、脲醛树脂，采用多元醇、羟甲基丙烯酰胺参与键接改性；使用类悬浮聚合法，或联用原位聚合法或界面聚合法，形成丙烯酸树脂基单/复合囊壁，包覆正烷烃类PCMs，制备了一系列相变材料微胶囊（MicroPCMs）。就成囊单体组成与结构的变化对MicroPCMs形貌及结构的影响；囊壁组分及交联网络结构与储能密度的相关性；以及合成MicroPCMs 囊壁的刚柔性单体的变化对MicroPCMs反复热交换-储能过程循环稳定性的影响进行了较为系统的研究。结果表明，丙烯酸长链烷基酯具有长而柔侧基，以其合成的囊壁呈现良好的柔韧性，可凭借一定的弹性形变抵御后处理过程的作用力，形成的MicroPCMs出现皱缩大形变而破损少；交联剂可交联基团的增加使囊壁三维网络结构致密增大，囊壁的机械强度随之提升，更有效地抵御内应力导致的壳收缩，使MicroPCMs形貌渐趋规整，分散性提高，同时，使PCMs在制备或后处理过程经囊壁扩散而损失的阻力增大，从而提高了PCMs含量，MicroPCMs的储能能力也随之提升；此外，具有极性基团的丙烯酸单体的引入提高了成囊驱动力，使囊壁更致密，实现了对PCMs更好的包封；聚丙烯酸长链烷基酯/聚脲复合囊壁MicroPCMs，丙烯酸长链烷基酯兼具助溶剂和成囊单体作用，相较聚脲囊壁MicroPCMs，PCMs含量提升，多元醇交联改性后MicroPCMs储能能力改善更为显著，掺杂其形成的发泡材料，具有更为优异的储热调温性能；聚甲基丙烯酸甲酯/脲醛树脂复合囊壁MicroPCMs呈现一种新型膜状结构，这种物理性的互穿网络结合交联结构提供了更强的力学性能，实现了更好的PCMs包封；丙烯酸树脂囊壁，引入官能度大于4的丙烯酸酯单体，或引入聚脲，脲醛树脂形成复合囊壁后，刚柔性协同作用下能更好地抵御PCMs在冷热循环过程中，因体积变化而产生的对囊壁具有破坏性的内部压力，使MicroPCMs的储能可靠性显著提高。研究成果对实现高分子化学改性与相变储能材料的技术链接，开发新颖、安全、高效的高分子基复合相变材料具有重要的理论价值和实际意义。