碳纳米管增强多孔聚合物基相变材料的高效封装与热性能调控研究

本研究针对相变材料(PCM)在热储能系统中导热性差、相变泄漏等关键问题，通过高内相乳液(HIPE)模板法构建碳纳米管(CNT)增强的聚高内相乳液(PolyHIPE)多孔网络，成功封装甲基硬脂酸(MS)相变材料。研究实现75 wt% PCM负载量，热导率提升2319%至0.508 W/m·K，经600次热循环后焓值衰减<1%，为建筑节能、电子器件热管理等应用提供了高性能储热解决方案。

　　

随着全球能源结构转型，相变储热技术(LHS)因其高能量密度和恒温特性成为研究热点。然而有机相变材料(PCM)存在两大"致命伤"：导热系数低至0.2 W/m·K量级，导致储/放热速率缓慢；固-液相变时易泄漏，造成材料损耗和系统失效。传统解决方案如金属泡沫增强会显著增加系统重量，微胶囊封装又面临成本高、机械强度差的困境。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困局严重制约着PCM在建筑节能、动力电池热管理等领域的应用突破。

针对这一技术瓶颈，研究人员创新性地将目光投向高内相乳液(HIPE)模板技术。这种能产生孔隙率超74%的三维互联多孔材料——聚高内相乳液(PolyHIPE)，兼具超大比表面积和结构可设计性，被誉为"分子海绵"。更巧妙的是，团队首次将碳纳米管(CNT)作为"导热骨架"植入PolyHIPE网络，以甲基硬脂酸(MS)为模型PCM，构建出新型复合储热体系。相关成果发表在《Journal of Energy Storage》上。

研究采用真空辅助浸渍法实现PCM装载，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)验证化学稳定性，差示扫描量热法(DSC)测定相变焓值，热常数分析仪测试导热性能。重点比较了不同CNT含量(0-2.5 wt%)对复合材料热物性的影响，并通过600次熔融-凝固循环评估长期稳定性。

Structural Characterization
红外光谱证实成功合成甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)基PolyHIPE，CNT的引入未破坏MS的酯键特征峰。扫描电镜显示孔径分布20-50 μm的开放孔结构，为PCM提供"分子牢笼"。

Thermal Energy Storage Performance
2.5 wt% CNT使热导率从0.021 W/m·K飙升至0.508 W/m·K，提升23倍。DSC测试显示熔融焓达209 J/g，相当于纯MS理论值的75%，且熔融温度稳定在35.2±0.3°C。

Cycling Stability
经过600次热循环后，焓值仅从209.7 J/g降至209.0 J/g，衰减率<0.5%，远优于同类研究。压缩测试表明CNT使抗压强度提升300%，解决多孔材料机械强度差的痛点。

该研究开创性地将CNT的"导热通路"与PolyHIPE的"微纳限域"效应协同，实现三大突破：首次证明GMA基PolyHIPE对脂肪酸酯PCM的稳定封装能力；建立CNT含量-热导率的非线性增强模型；开发出兼具高储热密度(>200 J/g)、快速热响应(τ<120 s)和超强循环稳定性(>600次)的复合材料。这种"一石三鸟"的设计策略为开发新一代智能储热材料提供了普适性方案，特别适用于需要轻量化、柔性集成的应用场景，如新能源汽车电池组的相变温控模块、可穿戴设备的体温调节系统等。未来通过调控孔道拓扑结构和CNT定向排列，有望进一步突破能量密度与传热速率的理论极限。