木基杂化复合材料中的创新储能：采用微胶囊化相变材料的储能家具

《Coatings》：Innovative Energy Storage in Wood Base Hybrid Composite: Energy Storage Furniture with Microencapsulated Phase Change Material

　　

微胶囊化相变材料（MPCMs）的引入显著提升了木基杂化复合材料（WBHCs）的储能能力。将微胶囊化相变材料（MPCM）掺入表面涂层后，可使该复合材料储存来自太阳辐射与环境热的热能，从而为家具应用提供一种高能效且可持续的解决方案。本研究对MPCM/WBHC的结构、热学、表面及力学性能进行了系统研究。样品的微观结构特征与化学官能团分别通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行表征。随后，采用差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）、导热性能评估及基于太阳辐射的热调节实验对其热性能与热稳定性进行了评价。MPCM的起始熔融温度和起始凝固温度分别为25.72 °C和21.73 °C，而在MPCM/WBHC中，这些数值分别处于22.45 °C至22.90 °C范围内，表明其实现了有效的热集成。热调节结果清晰表明，MPCM显著增强了复合材料的热能储存能力。总体而言，研究结果凸显了MPCM/WBHC作为节能家具及室内应用潜热热能储存材料的巨大潜力。

本文发表于《Coatings》，研究聚焦于将微胶囊化相变材料（MPCM）引入木基杂化复合材料（WBHC），并进一步构建兼具结构承载与热能管理功能的储能家具材料体系。研究背景在于，建筑与室内环境是终端能耗的重要来源，而家具作为室内环境中大面积暴露的组成部分，不仅参与室内对流、辐射与传导换热，还会影响热流分布与热舒适表现。已有研究表明，家具可显著改变房间升温、降温过程及辐射供热效果，但关于相变材料（PCM）在家具中的系统化集成研究仍然极为有限，尤其缺少围绕家具表面功能涂层与木质复合基材协同储热的实证研究。因此，开展本研究具有明确的节能应用价值：通过将MPCM配置于刨花板层内及表面涂层中，使家具表面具备吸收、储存和释放太阳辐射及环境热的能力，从而提升家具在室内热调节中的主动功能属性，推动现代涂饰技术向可持续、能源功能化方向发展。

研究人员围绕不同MPCM布置方式与施加位置，制备了多组木基复合板样品，并对其微观形貌、化学结构、热行为、室外真实气候条件下的热调节表现、表面润湿性、表面粗糙度以及力学性能进行了综合评估。研究结论表明：MPCM能够与木基复合体系实现良好整合，赋予材料明显的潜热储能和温度缓冲能力；在太阳辐射和昼夜环境温度变化条件下，含MPCM样品相较于未添加MPCM的对照样品，表现出更优的降温与保温效果；同时，MPCM的加入并未明显削弱材料的热稳定性，且对密度、静曲强度和弹性模量具有一定提升作用。该研究的重要意义在于验证了木基家具材料通过MPCM功能化改性后可转化为潜热储能介质，为节能型家具和室内构件开发提供了可行路径。

在技术方法方面，研究人员以由45%软木与55%硬木木片制备的三层刨花板为基材，设置C1–C6多个实验组，通过将MPCM分别加入表层、芯层及水性填充剂/面漆中，比较不同布置方案的效果。采用扫描电子显微镜（SEM）观察MPCM在木基体中的分布，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学结构，采用差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）评价相变储热与热稳定性。热调节性能通过2024年4月17—18日在Bart?n University工程、建筑与设计办公楼屋顶设置6个相同测试舱的实景实验获得，并辅以接触角、表面粗糙度及力学性能测试和方差分析。

在“3.1. Characterizations of MPCM/WBHC”部分，研究人员首先从微观结构和热物性层面证实了MPCM在木基复合材料中的有效整合。SEM结果显示，MPCM颗粒整体呈球形且表面较平滑，木片之间形成的颗粒间空隙以及木片表面的微米—纳米孔隙为MPCM提供了物理吸附和容纳位点。在MPCM/WBHC复合体系中，MPCM不仅分布于木片表面，也填充于相邻木片之间的间隙，说明其在基体中具有较好的分散性和界面相容性。热压过程中，上层局部可见微胶囊壳体破裂，但芯层中微胶囊结构仍得到保存。DSC结果进一步表明，纯MPCM的凝固潜热和熔融潜热分别为118.75 J/g和111.67 J/g，对应温度分别为21.73 °C和25.72 °C；而C3复合材料的焓值降低至15.04 J/g和9.33 J/g，对应温度为22.86 °C和26.35 °C。虽然由于木材基体本身不发生相变，复合材料总潜热显著低于纯MPCM，但其相变温区仍处于室温适用范围，说明其具备建筑与家具节能调温应用潜力。基于实验焓值与理论焓值计算的潜热保持率为42.21%，表明MPCM在嵌入木基结构后仍保留了较大比例的储热能力。FTIR分析显示，C3光谱中同时保留了MPCM、木材及胶黏体系的特征峰，且未出现新的吸收带，说明复合过程未引发新的化学反应，体系主要表现为物理复合，组分之间具有较好兼容性。TGA结果表明，C1与C3均经历水分蒸发、主要热解和缓慢降解三个阶段；加入MPCM后，C3在200 °C至380 °C区间的降解行为发生变化，快速分解温区有所延展，残炭保持率略有上升，说明MPCM的加入并未显著破坏复合材料的热稳定性。

在“3.2. Thermal Regulation Performance Tests Results”部分，研究人员通过真实环境下的双日太阳辐射实验，验证了MPCM/WBHC的热调节功能。实验期间天气包括多云和间歇晴天，全球太阳辐射最高约为850 W/m²。研究人员在每个测试舱内测量了样板下表面、上表面、近表面和舱体中心的温度变化，并与无MPCM对照组C1进行比较。结果显示，不同MPCM配置方式对热响应影响显著，其中C2总体表现最佳，之后依次为C6、C5、C4和C3。在炎热时段，含MPCM样品均表现出更低的表面温度和舱内温度，说明MPCM熔融吸热有效抑制了温升；在傍晚和夜间较冷时段，含MPCM样品又表现出更高温度，说明其凝固放热可延缓降温。以下表面温差为例，最高降温幅度分别可达C5为12.65 °C、C4为11.37 °C、C3为10.2 °C、C2为9.4 °C、C6为5.57 °C，但持续时间存在差异；舱体中心温度方面，热时段C2的最大降温差达到13.6 °C，冷时段则可比对照组高1.75 °C。研究人员进一步将温差（ΔT）与太阳辐射变化进行关联分析，指出在辐照稳定时段观察到的温升延迟和平台区主要反映MPCM熔融吸热，而日落后或低辐照条件下的温降延缓则与MPCM凝固放热有关。特别是C2和C5样品，在不同天气情景下均呈现出更明显、更稳定的热缓冲特征。热成像结果也直观显示，MPCM/WBHC表面温度低于对照样品，进一步支持其被动热调节能力。

在“3.3. Contact Angle and Surface Roughness”部分，研究人员分析了MPCM与表面涂饰对表面性能的影响。C1对照样品的表面粗糙度（Ra）为23.85 μm，而加入MPCM后的样品粗糙度显著降低，说明MPCM及填充层可填补表面孔隙、改善平整性。C2的Ra最低，仅为1.25 μm。对于施加涂层的C4、C5、C6，虽然粗糙度较未涂层的MPCM样品略有增加，但仍明显低于C1。研究指出，C4和C5所用表面漆不含MPCM，因此粗糙度低于涂层中含MPCM的C6。接触角结果与粗糙度变化相互对应：C1为88.25°，C2和C3分别为133.75°和111.48°，而涂饰组C4、C5、C6分别为76.69°、60.77°和85.78°。总体上，表面越粗糙，液滴铺展越明显，接触角越低。这说明MPCM加入方式及表层处理会显著影响材料表面的润湿行为与涂饰质量。

在“3.4. Mechanical Properties Results”部分，研究人员主要比较了C1、C2和C3三组未受表面处理显著干扰的板材本体力学性能，以评估MPCM在复合结构内部引入后的影响。结果显示，C1、C2和C3的密度范围为0.64–0.75 g/cm³，其中C2和C3密度最高，表明MPCM有助于提高材料致密性。静曲强度（MOR）为9.73–10.78 N/mm²，其中C3最高；弹性模量（MOE）为941–1373 N/mm²，其中C2最高。总体看，MPCM的引入对抗弯强度和刚度具有正向影响。内结合强度（IB）在0.24–0.25 N/mm²之间，差异较小，C2略高于对照组，提升约4%。统计分析表明，密度和MOR虽处于相同均质组，但与对照组相比存在显著差异；MOE中C2和C3处于同一均质组，而C1单独成组。研究人员据此认为，MPCM在一定添加水平下不会损害复合材料基本力学性能，且可能通过填充孔隙和改善界面作用提高刚度与强度。

讨论部分表明，MPCM/WBHC的热行为受太阳辐射强度、环境温度以及相变过程共同控制。白天高辐照条件下，MPCM通过熔融吸收多余热量，降低材料表面及周围空间温度；夜间或低辐照条件下，则通过凝固释放潜热，提高局部温度并延长热舒适维持时间。不同样品之间性能差异，主要来自MPCM所在层位、施加总量及其是否掺入表面填料和涂层。研究结果还表明，将MPCM简单加入板层内部并不必然获得最佳综合效果，合理的空间配置对发挥热缓冲能力至关重要。此外，MPCM加入后材料仍保持较好的表面质量和可接受的力学性能，这意味着其具备面向家具和室内构件实际应用的可行性。

研究结论部分可译述如下：本研究给出了MPCM集成于复合材料中的实验结果与分析。通过SEM图像证实，MPCM能够与木基刨花复合体系良好结合。研究观察到，MPCM提高了家具用复合材料的热能储存能力，并在26 °C附近表现出相变行为。TGA评价表明，MPCM未改变MPCM/WBHC的阻燃相关热稳定特征。结合太阳辐射测量和热成像结果，证实MPCM有助于降低复合材料表面温度。总体而言，C2样品由于冷却和加热效应持续时间更长而表现出最佳综合冷热调节性能；而在板材表面工况下，C5可在短时间内达到最大温差。另一方面，在舱体中心温度这一更能反映室内性能的位置上，C5表现出持续时间更长的最佳冷却与加热性能，并达到最大温差。最后，MPCM对复合材料力学性能的影响也得到评价，结果显示其提高了材料密度和抗弯强度，但统计学上未发现显著差异。上述结果凸显了MPCM作为家具工业中环境友好且高能效解决方案的应用潜力。