基于微流控的相变材料封装技术研究进展

随着全球经济体量的快速增长，人类对能源的需求也在不断上升。然而，不可再生能源的使用对环境造成了不可逆转的影响，能源短缺问题日益严重。因此，近年来，如何有效提高能源利用率的问题引起了广泛的关注。其中，新型储能材料是当前的研究热点。

相变材料（PCMs）具备卓越的储热能力，其在相变过程中能够有效地吸收和释放大量能量。这使得它们在众多领域具有极重要的应用价值，包括优化光伏系统热控制，增强超级电容器、电池和电子器件中的能量存储等。此外，在建筑物和医疗领域，相变材料还具有温度调节的潜力。同时，相变材料还可以用于温度调节织物的制备，并且能在干燥、海水淡化和制热等多种技术工艺中有效利用剩余和可再生热能。

然而，相变材料具有低导热性、容易泄漏和腐蚀等局限性。为了克服这些挑战，可以将相变材料封装到微封装相变材料（MEPCM）胶囊/纤维中。这种封装可以防止相变材料的泄漏和腐蚀。此外，微胶囊/纤维可以作为传热导管，实现相变材料与周围环境之间的有效热量交换。近年来，基于微流控的MEPCM由于具有对流体状态和微胶囊尺寸的精细控制能力，在过去的十几年中引起了人们的广泛关注。

MEPCM胶囊/纤维的发展历程

据麦姆斯咨询报道，近期，深圳大学、宁波诺丁汉大学以及澳大利亚伍伦贡大学（University of Wollongong）的研究人员在Advanced Science期刊上发表了题为“Phase Change Materials Meet Microfluidic Encapsulation”的综述性论文，概述了基于微流控的相变材料封装技术的研究进展。作者首先阐述了利用微流控技术制备MEPCM胶囊/纤维的原理和方法，并对制备获得的MEPCM胶囊/纤维的热特性和微观结构进行了分析。随后，作者总结了MEPCM胶囊/纤维在建筑节能、纺织、军用航空、太阳能利用以及生物工程等领域的应用。最后，作者对MEPCM胶囊/纤维的发展前景进行了展望。

基于微流控的相变材料的制备和应用概述

利用管状微流控装置进行MEPCM微胶囊的制备

利用同轴微流控装置进行MEPCM纤维的制备

负载二氧化钛（TiO2）的MEPCM胶囊的光催化活性

利用相变材料为深静脉血栓治疗提供局部热疗

如上所述，微流控技术能够实现对封装工艺的精确控制，从而产生具有所需性能的均一且结构和成分明确的微胶囊。然而，MEPCM胶囊/纤维的设计优化仍有一些挑战需要解决，包括调研用于MEPCM胶囊/纤维内核制备的新材料，开发新的微流控芯片，扩大商业化生产，以及探索这些微胶囊的新应用。

（1）研究用于MEPCM胶囊/纤维内核制备的新材料：使用微流控控制技术生产的大多数MEPCM胶囊/纤维通常需要在室温下制备。这一要求限制了用于MEPCM胶囊/纤维内核制备的相变材料的选择，因为其在室温下必须呈液态。因此，目前可供选择的MEPCM胶囊/纤维内核制备材料相对有限。不过，通过在封装过程中控制工作温度，用于MEPCM胶囊/纤维内核制备的相变材料在未来的发展中具有令人振奋的潜力。

（2）用于MEPCM胶囊/纤维制备的新型微流控芯片的开发：目前，用于MEPCM胶囊/纤维制备的微流控芯片由于对精密制造技术和专用材料的需求，以及其多层结构和组件集成化的趋势等原因，导致其复杂性和成本不断增加。因此，探索更简单和更具成本效益的新型芯片设计至关重要。一种有前景的替代方法是使用模块化微流控来生产MEPCM胶囊/纤维。使用模块化微流控系统的一个主要好处是其在芯片组装上的简易性。此外，模块化微流控系统具有可重复使用性，可以很容易地拆卸和清洁，从而能够实现多种用途，而无需频繁更换。这不仅降低了与芯片材料相关的成本，而且最大限度地减少了废弃物的产生。

（3）将生产过程从实验室规模扩大到商业化规模：目前，基于微流控控制技术的MEPCM胶囊/纤维生产主要局限于实验室规模，因此很难大量生产MEPCM胶囊/纤维。其中一种有希望扩大生产规模的方法是利用具有并行几何结构的微流控芯片。微流控芯片的并行几何结构能够实现多个微胶囊的并行化生产，从而提高了生产速度和效率。此外，通过设计具有并行通道或隔室的芯片，可以并行处理多个样品，从而提高样品处理通量。

（4）开发新的应用：如上所述，MEPCM胶囊/纤维的应用不局限于建筑、纺织、太阳能利用和军事航空等领域。通过添加纳米材料，其还可以作为具有催化和储能功能的多功能材料。此外，MEPCM胶囊/纤维可以将相变材料的储热能力与添加的纳米材料的其他功能特性结合起来。例如，通过添加具有良好导电性的纳米材料，如金属纳米颗粒或导电聚合物，可以赋予MEPCM胶囊/纤维导电功能；通过添加具有传感特性的纳米材料，如磁性纳米颗粒或光敏纳米颗粒，相变微胶囊可以响应外界刺激，并用于制备可控释放系统或智能传感器；通过添加具有荧光特性的纳米材料，如量子点或荧光染料，相变微胶囊可用于标记和跟踪应用，如生物医学成像和生物传感。

审核编辑：刘清