相变储能纳胶囊（Nanoencapsulated Phase Change Materials Microcapsules，NanoPCMs）作为一种新兴的节能材料，在解决能源供需不匹配问题上具有广阔的应用前景。然而，传统热聚合方法大量制备NanoPCMs是一个耗时耗能的复杂过程，且得到的胶囊多为微米级。如何快速地大规模制备NanoPCMs仍是一个挑战。
为了解决上述问题，郭生伟团队开发了一种简便、高效、超快速的微波辅助聚合方法，分别以交联聚(甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸烯丙酯)（P(MMA-co-AMA)）和相变材料正十八烷（n-oct）为壁材和芯材，并将氯化钠（NaCl）作为微波敏化剂，添加到聚合体系中，制备NanoPCMs（图1）。由于NaCl微波敏化剂的引入，反应时间从12小时缩短到10分钟，比传统的水热聚合快100倍。此外，在NaCl与乳化剂SMA的协同乳化作用下，产生最佳的乳化效果，控制了NanoPCMs的粒径（图2）。他们通过正交试验，得出制备NanoPCMs的最佳条件为60 ℃、10 min、600 W（图3），制备的NanoPCMs具有均匀的、球形的核壳结构，直径约为95 nm，潜热存储能力为114.9 J/g，包覆率为50.8%。经与微波不加敏化剂、水热加敏化剂和水热不加敏化剂的实验进行对比，解释了NaCl存在条件下NanoPCMs微波辅助聚合机理（图4），证实了该方法制备得到的NanoPCMs具有较高的潜热储存能力和显著的热稳定性和热可靠性。通过反应器的设计（图5），一台小型微波反应器（50 cm×42 cm×43 cm）12小时可生产出80 L NanoPCMs，而水热聚合12小时只能生产0.2 L的MicroPCMs，凸显了微波辅助超快速连续制备NanoPCMs方法的优势，为NanoPCMs的商业化生产奠定了基础。
图1. 微波辅助超快速合成NanoPCMs的制备示意图图2. (a) 乳化液液滴的POM图；(b)(c) NanoPCMs的SEM和TEM图；(d)乳化液和NanoPCMs的DLS图；(e) n-oct和NanoPCMs的DSC图；(f) n-oct、P(MMA-co-AMA)和NanoPCMs的FTIR图
图3. (a)(b) NanoPCMs的DSC图；(c)NanoPCMs的TG图；(d) 正交因素对包覆率的影响
图4. S10、S12、S13和S14 的SEM图(a-d)、DLS图(e-h)和合成机理图解(i-l)
该工作以“Ultrafast and continuous synthesis of phase change nanocapsules by salt-accelerated microwave-assisted polymerization”为题发表在《Green Chemistry》上。该研究工作得到了国家自然科学基金、宁夏自然科学基金、宁夏重点研发计划项目、北方民族大学研究生创新项目和中央高校基本科研业务费的支持。
论文链接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/gc/d2gc04804c/unauth
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