用于盐凝胶的多级封装策略：实现便携式疫苗储存系统中的无泄漏热能存储

《Journal of Energy Storage》：Multi-level encapsulation strategy for brine gels: Enabling leakage-free thermal energy storage in portable vaccine preservation systems

多阶段网络封装策略制备高潜热泄漏抑制型复合相变材料，优化后材料保持91.4%潜热、3.15 W/(m·K)热导率及<3.7%质量损失，铝塑膜封装实现零泄漏，模块集成使-25℃至-15℃有效存储时间延长至12.2小时，显著提升疫苗冷链运输稳定性。

　　在当前全球医疗体系日益完善和疾病防控需求不断增长的背景下，冷链运输技术作为确保疫苗和其他生物制品安全储存与运输的关键环节，正面临着前所未有的挑战与机遇。随着气候变化、流行病爆发频率增加以及医疗资源的全球化配置，传统的冷链运输方式已显现出诸多不足。尤其是在偏远地区和极端环境下，机械制冷系统的高能耗、易受电源波动影响以及温度控制不稳定等问题，使得其难以满足对冷链运输的持续性和可靠性要求。因此，开发一种新型的、具有高热稳定性、低泄漏风险且能够适应多种环境条件的相变储能材料，成为提升生物制品运输安全性的关键所在。

本文提出了一种多级网络封装策略，用于制备一种具有优异抗泄漏性能的复合相变材料（CPCMs）。该策略结合了离子交联和膨胀石墨（EG）的物理吸附作用，通过构建一个复杂的材料结构，显著提升了材料的热性能和机械性能。实验结果显示，所优化的复合相变材料能够保留高达91.4%的潜热（231.3 J/g），并表现出3.15 W/(m·K)的高热导率，同时其质量损失率低于3.7%。这些性能指标表明，该材料在热能存储和释放方面具有显著优势，能够在较宽的温度范围内保持稳定的热响应。此外，通过加速热循环测试（400次循环，温度范围从?40 °C到25 °C），该材料展现了出色的循环稳定性，其潜热衰减率低于13%。这些特性使得该材料在生物制品运输中具有广阔的应用前景。

传统的冷链运输技术主要依赖于机械制冷系统，这类系统在实际应用中往往需要稳定的电力供应，并且在能源消耗和温度控制方面存在一定的局限性。尤其是在缺乏可靠电力供应的地区，机械制冷系统的应用受到很大限制。相比之下，相变材料（PCMs）因其能够在恒定温度下吸收或释放大量潜热，而成为一种极具潜力的替代方案。然而，现有的低温度相变材料仍存在一些关键问题，如严重的过冷现象、相分离以及循环稳定性不足等，这些问题限制了其在实际冷链运输中的应用。因此，如何有效解决这些缺陷，成为当前研究的重点。

本文提出的多级网络封装策略，通过引入离子交联和物理吸附机制，成功地克服了传统相变材料的诸多限制。首先，离子交联技术用于构建一个稳定的三维网络结构，这种结构不仅能够增强材料的机械强度，还能有效防止相变过程中出现的泄漏问题。其次，膨胀石墨的物理吸附作用进一步提升了材料的热导率，使得其在相变过程中能够更高效地传递热量，从而加快温度响应速度并减少温度波动。此外，材料还通过铝塑薄膜进行物理封装，确保了其在运输过程中的密封性，避免了液体泄漏的风险，这一特性符合生物医疗领域的严格安全标准。

在实际应用中，这种新型复合相变材料被集成到冷链运输箱的顶部，以延长其在?25 °C至?15 °C温度范围内的有效储存时间。实验结果表明，这种集成方式使得储存时间延长至12.2小时，相比传统系统提升了82.6%。这一改进不仅提高了冷链运输的效率，还为应对突发公共卫生事件提供了更可靠的解决方案。例如，在疫苗运输过程中，温度波动是影响疫苗有效性和安全性的主要因素之一。通过采用这种多级网络封装策略，相变材料能够在运输过程中维持稳定的低温环境，从而减少温度波动对疫苗的潜在影响。

此外，该材料的热响应速度和温度分布均匀性也得到了显著改善。在运输箱内，由于相变材料具有较高的热导率，能够迅速吸收或释放热量，从而在短时间内达到所需的温度条件。同时，材料的多级网络结构使得其能够在运输箱内部形成一个均匀的温度场，避免了局部温度过高或过低的现象。这种均匀的温度分布对于维持生物制品的活性和稳定性至关重要，尤其是在需要精确温度控制的医疗运输场景中。

从更广泛的角度来看，这种多级网络封装策略不仅适用于生物制品的冷链运输，还为其他需要低温储存和运输的领域提供了新的思路。例如，在极地环境或太空探索中，温度控制是一个重要的技术挑战。相变材料因其独特的热储能和释放特性，能够在这些极端环境中提供可靠的温度调节能力。通过优化材料的结构和性能，研究人员可以开发出更加适用于不同应用场景的复合相变材料，从而满足多样化的低温储存需求。

在材料制备过程中，研究人员选择了多种天然和合成的增稠剂，如黄原胶（XG）、瓜尔胶（GG）、羧甲基纤维素（CMC）和聚丙烯酸钠（PAAS），这些材料不仅具有良好的热稳定性，还能与膨胀石墨形成有效的复合结构。实验结果表明，这种复合材料在多种环境条件下均表现出优异的性能，其热导率和抗泄漏能力均优于传统的相变材料。同时，通过调整材料的成分比例和内部结构，研究人员能够进一步优化其热响应特性和储存能力，以适应不同的运输需求。

在实际应用中，这种新型复合相变材料的制备方法具有良好的可扩展性，能够适用于大规模生产和实际运输场景。研究人员通过系统的实验分析，探讨了不同成分比例、内部结构和材料配置对温度变化的影响，从而为优化材料性能提供了科学依据。此外，该研究还建立了一个理论框架，用于指导未来在低温储能材料领域的研究和开发。这一框架不仅涵盖了材料的热性能分析，还涉及了其在不同应用场景下的适应性和稳定性评估，为相关领域的技术创新奠定了基础。

值得注意的是，尽管这种新型复合相变材料在性能和应用方面展现出诸多优势，但在实际推广过程中仍需考虑一些现实因素。例如，材料的成本、生产过程的复杂性以及在不同环境下的适应性，都是影响其应用的重要因素。因此，未来的研究应进一步探索如何在保持材料高性能的同时，降低其生产成本和提高其可加工性，以实现更广泛的应用。此外，还需要对材料的长期稳定性和环境友好性进行深入研究，以确保其在实际应用中的可持续性和安全性。

综上所述，本文提出了一种创新的多级网络封装策略，用于制备具有优异抗泄漏性能和热稳定性的复合相变材料。通过结合离子交联和膨胀石墨的物理吸附作用，该材料在潜热储存、热导率和循环稳定性等方面均表现出显著的优势。这一研究成果不仅为生物制品的冷链运输提供了新的解决方案，也为其他需要低温储存和运输的领域带来了新的技术突破。未来，随着相关技术的不断进步和材料性能的进一步优化，这种新型复合相变材料有望在更广泛的医疗和科研领域中发挥重要作用。