基于微流控的相變材料封裝技術(shù)研究進(jìn)展

隨著全球經(jīng)濟(jì)體量的快速增長，人類對能源的需求也在不斷上升。然而，不可再生能源的使用對環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響，能源短缺問題日益嚴(yán)重。因此，近年來，如何有效提高能源利用率的問題引起了廣泛的關(guān)注。其中，新型儲能材料是當(dāng)前的研究熱點。

相變材料（PCMs）具備卓越的儲熱能力，其在相變過程中能夠有效地吸收和釋放大量能量。這使得它們在眾多領(lǐng)域具有極重要的應(yīng)用價值，包括優(yōu)化光伏系統(tǒng)熱控制，增強(qiáng)超級電容器、電池和電子器件中的能量存儲等。此外，在建筑物和醫(yī)療領(lǐng)域，相變材料還具有溫度調(diào)節(jié)的潛力。同時，相變材料還可以用于溫度調(diào)節(jié)織物的制備，并且能在干燥、海水淡化和制熱等多種技術(shù)工藝中有效利用剩余和可再生熱能。

然而，相變材料具有低導(dǎo)熱性、容易泄漏和腐蝕等局限性。為了克服這些挑戰(zhàn)，可以將相變材料封裝到微封裝相變材料（MEPCM）膠囊/纖維中。這種封裝可以防止相變材料的泄漏和腐蝕。此外，微膠囊/纖維可以作為傳熱導(dǎo)管，實現(xiàn)相變材料與周圍環(huán)境之間的有效熱量交換。近年來，基于微流控的MEPCM由于具有對流體狀態(tài)和微膠囊尺寸的精細(xì)控制能力，在過去的十幾年中引起了人們的廣泛關(guān)注。

MEPCM膠囊/纖維的發(fā)展歷程

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，深圳大學(xué)、寧波諾丁漢大學(xué)以及澳大利亞伍倫貢大學(xué)（University of Wollongong）的研究人員在Advanced Science期刊上發(fā)表了題為“Phase Change Materials Meet Microfluidic Encapsulation”的綜述性論文，概述了基于微流控的相變材料封裝技術(shù)的研究進(jìn)展。作者首先闡述了利用微流控技術(shù)制備MEPCM膠囊/纖維的原理和方法，并對制備獲得的MEPCM膠囊/纖維的熱特性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。隨后，作者總結(jié)了MEPCM膠囊/纖維在建筑節(jié)能、紡織、軍用航空、太陽能利用以及生物工程等領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，作者對MEPCM膠囊/纖維的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

基于微流控的相變材料的制備和應(yīng)用概述

利用管狀微流控裝置進(jìn)行MEPCM微膠囊的制備

利用同軸微流控裝置進(jìn)行MEPCM纖維的制備

負(fù)載二氧化鈦（TiO2）的MEPCM膠囊的光催化活性

利用相變材料為深靜脈血栓治療提供局部熱療

如上所述，微流控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對封裝工藝的精確控制，從而產(chǎn)生具有所需性能的均一且結(jié)構(gòu)和成分明確的微膠囊。然而，MEPCM膠囊/纖維的設(shè)計優(yōu)化仍有一些挑戰(zhàn)需要解決，包括調(diào)研用于MEPCM膠囊/纖維內(nèi)核制備的新材料，開發(fā)新的微流控芯片，擴(kuò)大商業(yè)化生產(chǎn)，以及探索這些微膠囊的新應(yīng)用。

（1）研究用于MEPCM膠囊/纖維內(nèi)核制備的新材料：使用微流控控制技術(shù)生產(chǎn)的大多數(shù)MEPCM膠囊/纖維通常需要在室溫下制備。這一要求限制了用于MEPCM膠囊/纖維內(nèi)核制備的相變材料的選擇，因為其在室溫下必須呈液態(tài)。因此，目前可供選擇的MEPCM膠囊/纖維內(nèi)核制備材料相對有限。不過，通過在封裝過程中控制工作溫度，用于MEPCM膠囊/纖維內(nèi)核制備的相變材料在未來的發(fā)展中具有令人振奮的潛力。

（2）用于MEPCM膠囊/纖維制備的新型微流控芯片的開發(fā)：目前，用于MEPCM膠囊/纖維制備的微流控芯片由于對精密制造技術(shù)和專用材料的需求，以及其多層結(jié)構(gòu)和組件集成化的趨勢等原因，導(dǎo)致其復(fù)雜性和成本不斷增加。因此，探索更簡單和更具成本效益的新型芯片設(shè)計至關(guān)重要。一種有前景的替代方法是使用模塊化微流控來生產(chǎn)MEPCM膠囊/纖維。使用模塊化微流控系統(tǒng)的一個主要好處是其在芯片組裝上的簡易性。此外，模塊化微流控系統(tǒng)具有可重復(fù)使用性，可以很容易地拆卸和清潔，從而能夠?qū)崿F(xiàn)多種用途，而無需頻繁更換。這不僅降低了與芯片材料相關(guān)的成本，而且最大限度地減少了廢棄物的產(chǎn)生。

（3）將生產(chǎn)過程從實驗室規(guī)模擴(kuò)大到商業(yè)化規(guī)模：目前，基于微流控控制技術(shù)的MEPCM膠囊/纖維生產(chǎn)主要局限于實驗室規(guī)模，因此很難大量生產(chǎn)MEPCM膠囊/纖維。其中一種有希望擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的方法是利用具有并行幾何結(jié)構(gòu)的微流控芯片。微流控芯片的并行幾何結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)多個微膠囊的并行化生產(chǎn)，從而提高了生產(chǎn)速度和效率。此外，通過設(shè)計具有并行通道或隔室的芯片，可以并行處理多個樣品，從而提高樣品處理通量。

（4）開發(fā)新的應(yīng)用：如上所述，MEPCM膠囊/纖維的應(yīng)用不局限于建筑、紡織、太陽能利用和軍事航空等領(lǐng)域。通過添加納米材料，其還可以作為具有催化和儲能功能的多功能材料。此外，MEPCM膠囊/纖維可以將相變材料的儲熱能力與添加的納米材料的其他功能特性結(jié)合起來。例如，通過添加具有良好導(dǎo)電性的納米材料，如金屬納米顆?；?qū)щ娋酆衔?，可以賦予MEPCM膠囊/纖維導(dǎo)電功能；通過添加具有傳感特性的納米材料，如磁性納米顆?；蚬饷艏{米顆粒，相變微膠囊可以響應(yīng)外界刺激，并用于制備可控釋放系統(tǒng)或智能傳感器；通過添加具有熒光特性的納米材料，如量子點或熒光染料，相變微膠囊可用于標(biāo)記和跟蹤應(yīng)用，如生物醫(yī)學(xué)成像和生物傳感。

審核編輯：劉清