有机储能材料的合成及其应用
随着全球经济的高速发展，全球性的能源短缺越来越凸显。近年来，相变储
能材料(phase change material,PCM)成为国内外能源利用和材料科学方面研究的
热点。相变储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾,因而是提高能
源利用率的有效手段。发达国家在推广应用相对比较成熟的储能技术的同时，纷
纷投入巨资开发新的储能技术和储能材料，以期不断提高其技术性能、经济性和
可靠性。我国也在这方面进行了积极的研究并取得了较大的成果。相变储能材料
是指在其物相变化过程中，可以从环境吸收热(冷)量或向环境放出热(冷)量，从
而达到能量的储存和释放的目的。利用此特性，在太阳能利用，电力的“移峰填
谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域制造出各种
提高能源利用率的设施，同时由于其相变时温度近似恒定，可以用于调整控制周
围环境的温度．并且可以多次重复使用。由于相变材料的应用十分广泛，它已成
为一种日益受到人们重视的新材料，并已对其开始了实用性试验。本文详细介绍
了有机相变储能材料的特点、合成方法以及应用前景。
1有机储能材料的特点及分类：
有机类相变材料常用的有高级脂肪烃类、脂肪酸或其酯或盐类、醇类、芳香
烃类、芳香酮类、酰胺类、氟利昂类和多羟基碳酸类等，另外高分子类有聚烯烃
类、聚多元醇类、聚烯醇粪、聚烯酸类、聚酰胺类以及其它的一些高分子，其中
典型的有尿素、CnH2n+2、CnH2n、C10H8、CFC、PE、PEG、PMA、PA等。一般说来，同系
有机物的相变温度和相变焓会随着其碳链的增长而增大，这样可以得到具有一系
列相变温度的储能材料，但随着碳链的增长，相变温度的增加值会逐渐减小。由
于高分子化台物类的相变材料是具有一定分子量分布的混台物，并且由于分子链
较长,结晶并不完全，因此它的相变过程有一个熔融温度范围。
有机类相变材料具有固体成型好、不易发生相分离及过冷现象、腐蚀性较小、
性能稳定等优点。将几种有机物配合成二元或多元相变材料，也可将有机物与无
机物复合，从而得到合适的相变温度及相变热，以弥补不足．得到性能更好、更
适合于应用的相变材料。目前，为了克服固一液相变储热材料流动性的缺点，出
现了一大类形状稳定的固-液相变材料,即在相变时，外形可以保持固体形状，不
使其流动。这类材料主要是在有机类(工作物质)储能材料中加入高分子树脂类(载
体基质)，如聚乙烯、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯筹，使它们熔融在一起或采用物理
共混法和化学反应法将工作物质灌注于载体内制备而得。如以刚性的二醋酸纤维
索(CDA)链为骨架，接枝聚乙二醇(PEG)柔性链段，得到有固-固相变性能的网状储
能材料，但这类材料存在着储能能力下降，机械性能下降等矛盾。
2有机储能材料的合成方法：
为防止相变储能材料的泄露，必须对其封装，使相变材料发生相变时，其外形保
持稳定的形状而不变，才可将相变储能材料用于实际应用。定形技术主要有插层
法，微胶囊法，溶胶凝胶法，化学接枝法和熔融／溶液共混法。
2.1插层法
插层法是利用层状无机物作主体，将相变储能材料作为客体插入层状主体中制得
复合相变储能材料。利用插层法制备定形相变储能材料是目前研究较多的一种方
法，其优点是制备工艺简单、使用方便，缺点是由于插层制备的封装程度和封装
效率较低，因此对使用环境要求相对苛刻。
2.2微胶囊法
微胶囊法(又称微封装法)是将相变储能材料包裹在具有稳定外形的微胶囊
内，可直接加工成型，使用安全方便。微胶囊相变储能材料在保持相变储能的优
点之外，还极大的弥补了有机相变储能材料热导率低的缺点，因此具有很好的发
展前景。
Eun等[4]以乳液聚合的方法制备交联的聚氨酯乳胶粒，再将正十八烷滴加到
乳液中，在乳化剂和搅拌器的作用下，正十八烷分散到聚氨酯的交联体系中，从
而得到了具有相变储能性能的乳液，可将乳液直接涂到尼龙纤维织物上，这可以
很好的改善织物的触摸手感。Chu等[14j利用微胶囊技术制备出恒温胶粘纤维并
已申请专利。
2.3溶胶一凝胶法
溶胶一凝胶法最常见的是硅溶胶对相变储能材料的封装。就是以正硅酸乙酯
为前驱体，乙醇为溶剂，在机械搅拌和盐酸的催化作用下，同时发生水解和交联
得到硅溶胶，再经陈化过程，形成i维网络结构即得到凝胶。这种三维网络结构
形成了具有一定空间和尺寸的“笼结构”。将相变储能材料加入到反应体系中，则
相变储能材料能被有效的缚束在“笼结构”中，即使在液体状态下也不易泄漏。
该反应条件温和，常温常压下即可制备,因此有很好的发展前景。Deng、吕刚等分
别利用该技术研制出热性能稳定的聚乙二醇／二氧化硅和十二醇／二氧化硅复合
相变储能材料。
2．4化学接枝法
化学接枝法是一类重要的定形相变储能材料制备方法。其原理是通过高分子
反应，将相变储能材料接枝在熔点较高的大分子上，使其失去宏观流动性。利用
化学接枝法制得的复合相变储能材料的显著优点是具有很好的热稳定性。材料本
身可以直接加工成型，使用简单；缺点是热导系数低，不利于储放热的快速响应；
同时作为骨架的大分子，对体系中起储放热作用的支链而言是一种杂质，破坏了
支链结晶的完整性，一方面使相变储能材料的相变焓降低，另一方面又使复合材
料的结晶在较低温度下就能被破环，相变温度降低。
姜勇等对使用化学接枝法制备固一固相变储能材料进行了一系列大量的研
究。他们将具有固一液相变性质的聚乙二醇和作为骨架结构的纤维素材料进行接
枝反应。合成出一种具有固一固相变性能的新型纤维素／聚乙二醇相变储能材料。
王艳秋等利用化学合成法制备出热稳定提高，热滞后性减小的聚乙二醇／涤纶圊
一固相变储能材料，最大相变焓可达112．02J／g。
2．5熔融／溶液共混法
利用相变物质和基体的相容性，溶解在同一种溶剂(或熔融)后混合在一起，
制成组分均匀的储能材料，此种方法比较适合制备工业和建筑用低温的定形相变
材料。
Sari等一利用溶液共混法制备复合相变储能材料，对一系列的脂肪酸和树脂
进行了系统的研究，制备方法是将脂肪酸和树脂分别溶解到氯仿中，再将脂肪酸
溶液逐滴滴加到丙烯酸溶液中，在室温下使氯仿挥发即得到定性相变储能材料。
并利用红外谱图，DSC曲线等验证了制备的复合材料具有很好的兼容性，热性能，
及可循环使用性。
3有机储能材料的应用：
有机相变储能材料具有稳定性好、腐蚀性小、温度可调控等优点，目前主要应用
于中低温相变储能领域，如建筑节能和纺织领域。
3.1 有机相变储能材料在建筑节能领域中的应用
在当代社会，怎样在人的舒适度、能耗、环境中找到合理的平衡点已成为建筑设
计与节能领域的永恒主题。而利用相变储能建筑材料可有效利用太阳能来蓄热或
电力负荷低谷时期的电力来蓄热或蓄冷，使建筑物室内和室外之间的热流波动幅
度减弱、作用时间被延迟，从而降低室内的温度波动，提高舒适度。 应用于此领
域的相变材料必须满足以下要求：相变温度在20～30℃之间；安全、不易燃（可
以添加一些阻燃剂——有机含卤化合）；对环境无害、低毒、价格低廉。长久以来，
它主要集中在石蜡上，主要应用在PCM太阳能吸热壁、PCM墙板、PCM百叶窗、PCM
地热系统和PCM天花板等方面。
近几年来又出现了一些新兴的相变材料，Hed 等将相变材料储存在空气热交换器
内，利用相变材料吸收白天的热量，在夜晚释放，以缩小室内昼夜温差。Schossig
等将微胶囊相变材料与常规建筑材料混合来改善建筑内部的热舒适性。Karaipekl
等将癸酸、十四酸、膨胀珍珠岩、膨胀石墨共混，得到了一种很好的建筑节能材
料。癸酸-十四酸共混物质量分数在 55%以下时，相变时无泄露；此复合材料的熔
点和凝固点分别为21.70℃和20.70℃，熔化和凝固的相变焓为85.40 kJ/kg 和
89.75 kJ/kg；热循环了 5 000次，结果表明它很稳定；当膨胀石墨的质量分数为
10% 时，热传导率增加了58% ，这一切都表明它很适合做建筑材料。
3.2 有机相变储能材料在纺织领域中的应用
在服装中加入相变材料可以维持服装内温度的稳定，提高服装的保温性能。应用
于此领域的相变材料必须满足以下要求：熔化温度在15～35℃之间，有较大的
相变焓，熔点和凝固点间温差较小；对环境无害、低毒、不易燃；熔化凝固循环
时材料稳定、传热性大、实用性高、价格低廉。 常用的有石蜡、聚乙二醇、脂肪
酸及其共融体系。Zhang 等将自制的包含 2%～24% 正十八烷相变材料的微胶囊熔
纺于聚丙烯纤维中，研究发现微胶囊的加入量为20% 时，纤维的热焓、拉伸强度
和应变强度分别是11 kJ/kg、1.8cN/dtex和30.2%，这种熔纺纤维可以被用于织
物材料的生产。张兴祥等以正十九烷、正二十烷以及正十八烷微胶囊为原料，采
用熔融复合和溶液纺丝工艺制备微胶囊相变材料（质量分数 20% 以上）的蓄热
调温纤维，结果表明，相变材料微胶囊和聚丙烯腈-偏氯乙烯共聚物混合后进行溶
液纺丝制成的腈氯纶纤维具有良好的可纺性，热效率和热稳定性很高。 除此之外，
有机相变储能还用到其他一些领域，如含有相变储能材料的沥青路面或混凝土可
以防止桥梁结冰；相变储能技术可以用于缓解电子芯片（如CPU ）的尖峰热负荷；
相变材料可用在医疗保健和日常生活用品中（如保暖服装、电器防热外壳、保鲜
盒、保温盒、取暖器、储能炊具）；相变材料还可以应用在航空航天器材和军事上。
总之，相变储能技术的应用领域是相当广泛的。