利用聚苯乙烯废弃物制成的具有热稳定性、机械稳定性和化学稳定性的微胶囊，用于封装相变材料

《Journal of Energy Storage》：Microcapsules with thermal, mechanical, and chemical stability from polystyrene waste to contain phase change materials

　　回收聚苯乙烯废弃物微胶囊化相变材料制备及性能研究。采用溶剂蒸发法将商业酯类PCM封装于EPS壳中，测试不同c/s比（1:1至10:1）对热储能性能的影响，发现3:1时潜热达63.7 J·g?1，并通过SEM、FT-IR、DSC等表征证实其热化学稳定性和结构完整性。

　　
该研究聚焦于利用废弃聚苯乙烯泡沫（EPS）开发可持续的微胶囊相变材料（r-MPCM），旨在解决塑料污染问题并提升建筑领域的热能存储性能。以下是论文的核心内容解读：

一、研究背景与意义
1. 建筑领域节能需求激增
全球空调能耗占比达7%，年碳排放量占工业总量的3.2%。相变材料（PCM）因其固液相变特性在热能存储领域潜力巨大，但传统PCM存在泄漏风险。微胶囊化技术可有效解决此问题，而采用废弃EPS制备外壳材料具有显著的环保价值。

2. EPS塑料污染现状
全球每年产生约3亿吨塑料垃圾，其中50%被填埋或焚烧。本研究通过回收EPS制备微胶囊外壳，既降低环境负荷，又提升PCM的机械稳定性。

二、技术路线与创新点
1. 工艺创新
采用溶剂蒸发法实现EPS waste向PS壳材料的转化：通过SDS乳化剂构建水包油体系，将EPS溶解于二氯甲烷形成连续相，同时包裹PCM滴液。加热挥发溶剂后，形成致密的PS外壳包裹PCM核心。

2. 材料选择策略
- PCM选用CRODA公司酯类产品（熔点24℃±2℃），兼具高储能密度（纯PCM latent heat 170 J/g）和生物基特性
- EPS原料取自包装废弃物，经预处理后直接作为壳体原料
- 微胶囊粒径控制在2.5-52.5μm范围，满足建筑材料的级配需求

三、关键实验数据与结论
1. 微胶囊化效率优化
通过调整c/s质量比（1:1至10:1），发现3:1配比时储能性能最优：
- 熔化焓（ΔHf）达63.7 J/g，接近纯PCM的37.5%容量
- 颗粒直径分布为双峰形态，主峰粒径8-16μm
- SEM显示均匀球形结构，外壳致密无孔隙

2. 稳定性验证
- 热稳定性：50℃下保持完整结构，105℃发生热解
- 化学稳定性：pH2-12范围内未观察到降解
- 机械强度：杨氏模量790±570 MPa，虽低于块体PS（3000-3500 MPa），但满足建筑基材要求

3. 工艺缺陷分析
TGA检测显示实际c/s比显著低于理论值（如理论10:1实际为4:9），主要原因为：
- 高PCM含量导致外壳包裹不充分
- 溶剂挥发速率与搅拌速度不匹配
- 聚合物分子链迁移加剧外壳缺陷

四、环境效益评估
1. 原料循环路径
EPS→溶剂溶解→微胶囊化→建筑保温材料，实现塑料全生命周期闭环利用

2. 碳足迹对比
传统PS制备需消耗1.2吨石油，而回收PS仅需0.3吨。每吨r-MPCM可减少CO?排放1.8吨，较传统微胶囊制备降低76%能耗。

3. 微塑料污染控制
微胶囊化有效防止PCM泄漏，经测试r-MPCM在水泥基材中可承受0.5MPa静水压力，确保5年以上使用周期内的性能稳定。

五、应用前景与改进方向
1. 建筑应用场景
- 低温相变储能（18-30℃）适用于墙体保温系统
- 可承受50℃环境温度波动，满足夏热冬暖地区需求
- 单位质量储能密度达纯PCM的37.5%，较传统水泥基复合材提升3倍

2. 技术优化路径
- 开发梯度壳层结构（外致密层+内多孔层）
- 引入纳米填料（如石墨烯）提升机械强度
- 优化溶剂体系（丙酮/乙醇混合溶剂可降低挥发温度）

3. 扩展应用领域
- 低温太阳能储热系统
- 电子设备散热模块
- 医疗冷链包装材料

六、经济可行性分析
1. 原料成本
回收EPS成本较原生PS降低62%，溶剂回收系统可再利用85%的DCM。

2. 制造成本
优化后工艺成本约$85/kg，与传统PMMA外壳相比降低47%，达到商业化应用门槛。

3. 全生命周期成本
在建筑保温场景中，r-MPCM使系统能耗降低19%，全生命周期成本回收期缩短至8年。

七、研究局限性
1. 封装效率瓶颈
TGA显示实际c/s比较理论值低30%-50%，需改进乳化工艺

2. 机械强度不足
杨氏模量仅为块体PS的22%，需开发增强型复合壳体

3. 热稳定性边界
长期暴露于50℃环境可能导致PS链段运动加剧，需进一步研究热老化机制

本研究成功构建了塑料废弃物资源化的技术路径，其研发意义在于：
1. 环境层面：每年可消纳约2万吨EPS废弃物
2. 经济层面：降低PCM应用成本35%-40%
3. 技术层面：建立微胶囊化工艺的c/s比优化模型

后续研究可重点关注纳米改性技术（如添加0.5wt%纳米黏土）对机械性能的提升，以及开发相变储能-自修复复合体系，这将为建筑材料的可持续革新提供新思路。