通过可靠的微流控封装技术，制备出高性能且耐用的PCM/聚合物纤维

《Journal of Energy Storage》：High performance and durable PCM/polymer fibers by reliable microfluidic encapsulation

微流控同轴纤维制备技术实现高焓值潜热材料封装，突破传统工艺瓶颈。采用标准化同轴针与重力溶剂萃取法结合，创新性提升PCM含量至87%，创207 J/g焓值世界纪录，并通过1000次热循环验证98.2%的PCM保留率，显著优于现有电纺及微流控技术。

　　本研究聚焦于一种创新的微流控方法，用于生产具有高相变材料（PCM）封装含量的聚合物纤维。相变材料因其在相变过程中能够吸收和释放大量热能，同时保持温度相对恒定，被广泛应用于热能储存和热管理领域。然而，这类材料在使用过程中容易发生泄漏，因此需要通过封装或限制其形态来确保其功能性和稳定性。目前，已有多种封装方法被研究，如微胶囊封装、纤维封装等，其中微流控技术因其在微胶囊制造中的优势，如精确控制微胶囊尺寸和内部物质含量，以及适应不同壳层固化方式的能力，展现出巨大潜力。但其在PCM封装纤维方面的应用仍处于初步阶段，存在设备复杂、生产步骤繁琐、重复性差等问题。

为了克服这些挑战，研究团队提出了一种基于标准化共轴针和重力辅助溶剂萃取的简单且可靠的方法，成功实现了高PCM含量纤维的生产。该方法不仅简化了传统微流控设备的制造过程，还提高了生产效率和可重复性。通过调整流体流速，研究人员获得了具有高达157 J/g热焓值的纤维，并且在1000次强制热循环测试中，其热焓损失仍低于2%。这表明该方法在保持材料性能的同时，显著提升了PCM的封装效率和热能储存能力。

研究中使用的PCM包括n-十六烷（熔点16°C）和n-二十烷，这两种材料因其良好的热稳定性、高热焓值以及与聚合物基质的兼容性而被选为实验对象。为了在纤维生产过程中可视化PCM的分布情况，研究团队还使用了Oil Red作为示踪剂。聚合物基质选择了商业化的PVDF（聚偏氟乙烯）Solef 5130，其溶剂为DMF（二甲基甲酰胺），这是一种常用的有机溶剂，能够有效溶解PVDF并促进纤维的形成。在溶剂萃取过程中，使用了自来水作为萃取介质，以去除多余的溶剂并确保纤维的完整性。

纤维的生产过程采用了一种重力辅助的层流喷射机制，结合共轴针的使用，使得整个系统更加稳定和易于操作。共轴针的选择基于其结构的坚固性，能够在多次组装和拆卸过程中保持性能不变，避免了传统微流控设备在制造和操作过程中常见的坍塌或损坏问题。此外，该方法只需控制两种流体的流速，大大简化了操作流程，同时也为提高纤维生产速度提供了可能性。通过这种方式，研究人员不仅实现了高PCM含量的纤维制造，还获得了更高的热焓值，这在当前文献中尚属首次。

在纤维的结构和性能研究方面，研究团队采用了多种分析手段，包括扫描电子显微镜（SEM）对纤维形态和微观结构的观察，差示扫描量热法（DSC）用于评估PCM的热性能，热重分析（TGA）用于研究纤维在高温下的稳定性。这些分析方法共同揭示了纤维结构与其热能储存能力之间的密切关系。例如，通过SEM观察，可以发现不同流体流速配置对纤维表面结构和内部孔隙率的影响，从而进一步优化PCM的封装效果。而DSC和TGA测试则提供了关于PCM在纤维中相变过程和热稳定性的重要数据。

研究结果表明，该方法在封装效率和热能储存能力方面均优于现有技术。通过控制共轴针的流速比（Qi/Qo），研究人员能够精确调节PCM在纤维中的含量，从而实现高热焓值的纤维制造。同时，该方法在热循环测试中表现出优异的PCM保留能力，即使在极端条件下，其热焓损失仍保持在较低水平。这不仅证明了该方法在技术上的可行性，也展示了其在实际应用中的巨大潜力。

此外，研究团队还探索了不同PCM温度特性和流体配置对纤维性能的影响。通过在不同温度下测试PCM的封装效果，研究人员能够更好地理解材料在实际使用环境中的表现。同时，通过调整流体的内外流配置，可以进一步优化纤维的形态和结构，从而提高其热能储存效率和机械性能。这些发现为未来在建筑、医疗、纺织、可再生能源、电子设备和电动汽车等领域的应用提供了重要的理论和技术支持。

在材料科学领域，PCM封装纤维的开发对于推动热能储存和热管理技术的进步具有重要意义。当前，许多应用领域对材料的热能储存能力提出了更高的要求，尤其是在高功率电子设备和便携式设备中，热能管理的效率直接影响到设备的性能和寿命。因此，能够实现高热焓值、高封装效率且易于大规模生产的PCM封装纤维，无疑将成为未来热管理技术的重要组成部分。

研究团队的工作不仅解决了现有技术中的一些关键问题，还为后续研究提供了新的思路和方法。通过将微流控技术与重力辅助溶剂萃取相结合，研究人员成功构建了一种既简单又高效的纤维封装体系。这种体系的优势在于其模块化设计和可扩展性，使得不同类型的PCM可以灵活地被封装到纤维中，从而满足不同应用场景的需求。同时，该方法的可重复性也为工业生产提供了保障，降低了制造成本，提高了产品的可靠性。

总的来说，这项研究为PCM封装纤维的生产提供了一种全新的解决方案，不仅提升了材料的热能储存能力，还优化了其结构和性能。通过实验验证，该方法在封装效率、热焓值和热循环稳定性方面均表现出色，为未来在多个领域的应用奠定了坚实的基础。此外，研究团队在实验设计和数据分析方面的严谨态度，也体现了对材料科学领域深入探索和创新发展的追求。