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进入21世纪以来，相变微胶囊（MEPCM，Microencapsulated Phase Change Material）逐渐走进了科学家们的视线中。相变微胶囊是一种随温度的变化而本身的物质状态改变的一种物质，在状态改变的过程中，会吸收或释放出大量潜热。通过氧化石墨烯改性的相变微胶囊可以提高相变微胶囊的导热系数，进行光热转换。本文针对氧化石墨烯改性的相变微胶囊的制备及其热物性和潜热型功能热流体的制备及其热物性进行了相关研究工作，并以此探讨天然气输送钢管涂掺有相变微胶囊的保温涂料的可行性。
【关键词】：相变微胶囊 储热性能 潜热型功能热流体 天然气管道 保温涂料
1 氧化石墨烯改性的相变微胶囊的制备及性能研究
本文选择正十八烷（含量≥99.0%）为芯材，其熔点在28～31℃之间，采用三聚氰胺（分析纯≥78.0%）和甲醛（分析纯37.0-40.0%）制备密胺树脂（melamine-formaldehyde resin，MF树脂）作为壁材。选择苯乙烯-马来酸酐（SMA）作为乳化剂。相变微胶囊的制备采用原位聚合法。
将2g SMA粉末、1.2g氢氧化钠（分析纯≥96%）和36.8g去离子水加入烧杯中，水浴50℃、1200r/min磁力搅拌6h，制得5wt.%苯乙烯-马来酸酐共聚物钠盐乳化剂。将2g正十八烷和8mL去离子水混合加入到烧杯中，水浴加热到70℃。取10g乳化剂溶液加入到熔融十八烷和去离子水混合溶液中，水浴70℃、2500r/min磁力搅拌2h，得到稳定的O/W乳液，将2mL氧化石墨烯分散液（2mg/mL）加入到乳液中，继续搅拌10min，随后用10wt.%柠檬酸调pH至4.5-5。
随后将1.96g甲醛水溶液和0.9g三聚氰胺加入到烧杯中，加入7.5mL去离子水，用10wt.%三乙醇胺溶液调节pH至8.5-9，水浴70℃、600r/min磁力搅拌，搅拌至透明后继续搅拌20min。
将预聚体溶液缓慢滴加（1.5mL/min）到正十八烷/氧化石墨烯乳液中，乳液保持70℃、600r/min磁力搅拌，所有预聚体溶液都被加入后，在相同条件下继续搅拌2h后，用10wt.%三乙醇胺溶液调节pH至8.5-9结束反应。将所得产物抽滤，用无水乙醇、石油醚、去离子水各洗涤3次，然后在真空干燥箱中100℃真空干燥24h，得到图1干燥的相变微胶囊粉末。可以看出，添加完氧化石墨烯之后的相变微胶囊的呈现暗黄色（不添加氧化石墨烯的相变微胶囊粉末为白色），且过滤洗涤之后不变色，说明氧化石墨烯已经成功加入到相变微胶囊之中。
图1 干燥的相变微胶囊粉末
该样品DSC测试结果：样品的融化峰值温度是29.87℃，熔化潜热是125.98J/g，冷却峰值温度是25.27℃，凝固潜热是124.93J/g。
2 具有光热转换特性的潜热型功能热流体的性能研究
潜热型功能热流体，英文名Latent Functional Thermal Fluid（LFTF），是一种由相变材料与单相热流体制备而成的流体。
2.1研究意义与目的
将相变微胶囊应用到潜热型功能热流体中，主要是为了研究将相变微胶囊加入到天然气钢管涂漆中。通过这样的方式，促使涂漆面在白天吸收光照热量储能，夜间可以释放热量，而且由于相变微胶囊的引入，管道升温和降温的过程都得到了延长，以此达到管道长时间保温的目的。
2.2相变微胶囊悬浮液的制备
将相变微胶囊分散在PVA溶液中。首先制备了质量分数为10wt.%的PVA溶液。取5mL加入到试管中，再取0.5g相变微胶囊粉末加入到试管中，震荡后再超声20min，使相变微胶囊颗粒均匀分散在基液中。同时，取了5mL去离子水加入到试管中，取0.1g SDS加入到去离子水中震荡至其完全溶解，取0.5g相变微胶囊粉末加入到试管中，震荡后再超声20min，使相变微胶囊颗粒均匀分散在水中中。静置开始观察。
2.3光热转换实验
将悬浮液中间层的分散液用移液枪抽出15mL至试管中，样品记为LFTF-H，再从这根试管中抽出5mL至另一根试管，再加入质量分数为10wt.%的PVA溶液5mL，样品记为LFTF-L，这样即可配制出两份相变微胶囊含量不同的潜热型功能热流体，另外取了纯质量分数为10wt.%的PVA溶液10mL到试管中，样品记为LFTF。
随后按照实验装置系统图搭建试验台，开始进行光热转换实验，三个样品溶液的光热转换均在同一条件下进行。
升温到相同的温度，LFTF-H的速度大于LFTF-L的速度大于LFTF的速度。在28～31℃之间，LFTF-H和LFTF-L有一个趋势稳定吸热的过程，样品溶液所能达到的终温也有所不同。样品LFTF-H和LFTF-L的降温过程很平稳，而样品LFTF的降温速率明显大于LFTF-H和LFTF-L的速率，且温度波动较明显。
测量相关数据，计算光热转换效率。在约900W/m2光强下，纯基液的光热转换效率只有22.21%，而加入了相变微胶囊的LFTF-L和LFTF-H为34.20%和47.72%，比纯基液分别提高了53.9%和114.8%。
3 总结
选择合适的相变材料（熔点温度范围在合适的天然气输运管道温度范圍内）制备相变微胶囊，加入到钢管涂漆中，充分利用太阳能，理论上可以还可以解决管道昼夜温差大导致的输气耗损问题。
【参考文献】：
【1】 刘臣臻. 相变微胶囊储能过程传热与流动特性研究[D]. 中国矿业大学， 2017.
【2】 时雨荃， 杜春霞， 赵镇南，等. 相变微胶囊壁材结构与力学强度及密封性的关系[J]. 高分子材料科学与工程， 2005， 21（5）：188-192.
【关键词】：相变微胶囊 储热性能 潜热型功能热流体 天然气管道 保温涂料
1 氧化石墨烯改性的相变微胶囊的制备及性能研究
本文选择正十八烷（含量≥99.0%）为芯材，其熔点在28～31℃之间，采用三聚氰胺（分析纯≥78.0%）和甲醛（分析纯37.0-40.0%）制备密胺树脂（melamine-formaldehyde resin，MF树脂）作为壁材。选择苯乙烯-马来酸酐（SMA）作为乳化剂。相变微胶囊的制备采用原位聚合法。
将2g SMA粉末、1.2g氢氧化钠（分析纯≥96%）和36.8g去离子水加入烧杯中，水浴50℃、1200r/min磁力搅拌6h，制得5wt.%苯乙烯-马来酸酐共聚物钠盐乳化剂。将2g正十八烷和8mL去离子水混合加入到烧杯中，水浴加热到70℃。取10g乳化剂溶液加入到熔融十八烷和去离子水混合溶液中，水浴70℃、2500r/min磁力搅拌2h，得到稳定的O/W乳液，将2mL氧化石墨烯分散液（2mg/mL）加入到乳液中，继续搅拌10min，随后用10wt.%柠檬酸调pH至4.5-5。
随后将1.96g甲醛水溶液和0.9g三聚氰胺加入到烧杯中，加入7.5mL去离子水，用10wt.%三乙醇胺溶液调节pH至8.5-9，水浴70℃、600r/min磁力搅拌，搅拌至透明后继续搅拌20min。
将预聚体溶液缓慢滴加（1.5mL/min）到正十八烷/氧化石墨烯乳液中，乳液保持70℃、600r/min磁力搅拌，所有预聚体溶液都被加入后，在相同条件下继续搅拌2h后，用10wt.%三乙醇胺溶液调节pH至8.5-9结束反应。将所得产物抽滤，用无水乙醇、石油醚、去离子水各洗涤3次，然后在真空干燥箱中100℃真空干燥24h，得到图1干燥的相变微胶囊粉末。可以看出，添加完氧化石墨烯之后的相变微胶囊的呈现暗黄色（不添加氧化石墨烯的相变微胶囊粉末为白色），且过滤洗涤之后不变色，说明氧化石墨烯已经成功加入到相变微胶囊之中。
图1 干燥的相变微胶囊粉末
该样品DSC测试结果：样品的融化峰值温度是29.87℃，熔化潜热是125.98J/g，冷却峰值温度是25.27℃，凝固潜热是124.93J/g。
2 具有光热转换特性的潜热型功能热流体的性能研究
潜热型功能热流体，英文名Latent Functional Thermal Fluid（LFTF），是一种由相变材料与单相热流体制备而成的流体。
2.1研究意义与目的
将相变微胶囊应用到潜热型功能热流体中，主要是为了研究将相变微胶囊加入到天然气钢管涂漆中。通过这样的方式，促使涂漆面在白天吸收光照热量储能，夜间可以释放热量，而且由于相变微胶囊的引入，管道升温和降温的过程都得到了延长，以此达到管道长时间保温的目的。
2.2相变微胶囊悬浮液的制备
将相变微胶囊分散在PVA溶液中。首先制备了质量分数为10wt.%的PVA溶液。取5mL加入到试管中，再取0.5g相变微胶囊粉末加入到试管中，震荡后再超声20min，使相变微胶囊颗粒均匀分散在基液中。同时，取了5mL去离子水加入到试管中，取0.1g SDS加入到去离子水中震荡至其完全溶解，取0.5g相变微胶囊粉末加入到试管中，震荡后再超声20min，使相变微胶囊颗粒均匀分散在水中中。静置开始观察。
2.3光热转换实验
将悬浮液中间层的分散液用移液枪抽出15mL至试管中，样品记为LFTF-H，再从这根试管中抽出5mL至另一根试管，再加入质量分数为10wt.%的PVA溶液5mL，样品记为LFTF-L，这样即可配制出两份相变微胶囊含量不同的潜热型功能热流体，另外取了纯质量分数为10wt.%的PVA溶液10mL到试管中，样品记为LFTF。
随后按照实验装置系统图搭建试验台，开始进行光热转换实验，三个样品溶液的光热转换均在同一条件下进行。
升温到相同的温度，LFTF-H的速度大于LFTF-L的速度大于LFTF的速度。在28～31℃之间，LFTF-H和LFTF-L有一个趋势稳定吸热的过程，样品溶液所能达到的终温也有所不同。样品LFTF-H和LFTF-L的降温过程很平稳，而样品LFTF的降温速率明显大于LFTF-H和LFTF-L的速率，且温度波动较明显。
测量相关数据，计算光热转换效率。在约900W/m2光强下，纯基液的光热转换效率只有22.21%，而加入了相变微胶囊的LFTF-L和LFTF-H为34.20%和47.72%，比纯基液分别提高了53.9%和114.8%。
3 总结
选择合适的相变材料（熔点温度范围在合适的天然气输运管道温度范圍内）制备相变微胶囊，加入到钢管涂漆中，充分利用太阳能，理论上可以还可以解决管道昼夜温差大导致的输气耗损问题。
【参考文献】：
【1】 刘臣臻. 相变微胶囊储能过程传热与流动特性研究[D]. 中国矿业大学， 2017.
【2】 时雨荃， 杜春霞， 赵镇南，等. 相变微胶囊壁材结构与力学强度及密封性的关系[J]. 高分子材料科学与工程， 2005， 21（5）：188-192.