在高寒地区做护坡、路基这类工程，温度是绕不开的现实难题。以研究关注的现场为例，年平均气温仅约 −0.4~0.3 °C，极端最低可达 −31.6 °C，昼夜温差常超过 15 °C。混凝土、表土在反复冻融中容易开裂、剥落，植被也难以定植。

相变材料（PCM）是常用的“热缓冲”手段：它在凝固（相变）时会释放大量潜热，把温度暂时“托”住。问题是——单一 PCM 只在某一个温度点附近起作用，一旦相变完成，温度会迅速跌落。面对 −25~5 °C 这样一条宽温域，一个温度点显然守不住。

近期，西南交通大学陈德副教授团队发表于 Chemical Engineering Journal 的这项工作，给出的思路是：不做“一个点”，而是设计“一条带”——用微流控制备覆盖四个温区的梯度相变微胶囊，让降温过程变成一段连续的“缓坡”。

图1 研究总体设计：以植物低温耐受性为依据划分温区，再筛选芯材、制备共晶体系

01 困局：单点缓冲，为何在宽温域失效

在作者看来，把 PCM 用到高寒工程，此前主要存在三个问题：

• 温区不匹配：材料的相变温度没有对准工程真正需要的温度区间；

• 平台之间有“热间隔”：即便把多种 PCM 简单混合，相邻相变温度之间往往留有空档，温度会在空档里快速下滑；

• 粒径—性能关系不清楚：微胶囊该做多大、粒径如何影响包封和传热，缺乏定量依据。微流控单通道产量低（通常 <10 mL/h），传统批量法又难以控制粒径。

这三点决定了：问题不是“找一种更好的 PCM”，而是要同时回答选什么温度、怎么配比、做多大颗粒。

02 设计：先划温区，再用共晶“凑齐”四种芯材

研究的第一步不是进实验室造粒，而是先把温度带切成四段。划分依据是护坡植物的低温耐受边界——这也直接关系到后续植被恢复：

接下来为每个温区找相变温度“刚好落在区间内”的芯材。两个温区可由单组分直接匹配：Zone 1 用十四烷（TD，熔点约 5.5 °C），Zone 3 用十二烷（DD，熔点约 −10.3 °C）。

另外两个温区没有现成单组分可用，作者采用共晶工程：把两种组分按特定比例混合，获得一个更低、且确定的共晶温度。先用 Schröder 共晶方程预测比例，再通过逐级冷却曲线细化——配比精度从 8 wt% 收窄到 4、2 wt%（最终精度 ±2 wt%）：

• Zone 2：1-癸醇 : 1-十二烷醇 = 83:17，共晶温度约 −3.7 °C（DC–DDL）；

• Zone 4：十二烷 : 十四烷 = 88:12，共晶温度约 −16.9 °C（DD–TD）。

对这四种未包封的纯芯材做 DSC 表征，给出了关键热物性：

图2 四种纯（未包覆）相变芯材的 DSC 熔融曲线与潜热：(a) TD，(b) DC–DDL（质量比 83:17），(c) DD，(d) DD–TD（质量比 88:12）。

• 潜热都很高：TD 186.61、DC–DDL 176.80、DD 195.70、DD–TD 173.63 J/g，两种共晶也都 >170 J/g，说明共晶调温并未明显牺牲储能密度；

• 过冷度均小于 2 °C，相变温度稳定，有利于平台准确对准温区。

四种芯材在“温度”和“储能量”两个维度都满足要求——温度带的“四块拼图”凑齐了。

03 造粒：三维同轴流芯片，定量锁定 115 μm 拐点

芯材是液体、易泄漏，需要包成微胶囊——这里正是微流控发挥作用的地方。

作者搭建了一块三维同轴流（co-flow）芯片：内毛细管（0.5 mm 内径 / 0.6 mm 外径）同轴插入外毛细管（0.6 mm 内径 / 1.0 mm 外径），锥形尖端孔口 50–150 μm。内相走 PCM，外相走 1.5 wt% 海藻酸钠，靠同轴层流剪切把内相“掐”成均匀液滴，再滴入 3.0 wt% CaCl₂ 浴交联成海藻酸钙壳。

图3 三维同轴流微流控芯片示意图

固定外相流速、调节内相，可稳定得到 80~170 μm、单分散（CV < 5%）的微胶囊。更重要的是，作者系统测量了粒径如何影响性能。

图4 采用 (a) 微流控法与 (b) 原位聚合法制备的微胶囊相变材料（MPCMs）形貌对比。

以包封率为例：80 μm 时 68.7%，115 μm 时升至 81.28%，170 μm 时 86.98%——随粒径增大而提高，但增速明显不同。作者把“每增大 10 μm 获得的增益”做成雷达图：

图5 不同粒径海藻酸钙微胶囊的热物理性能与包覆效率对比

• 80→115 μm：导热系数提高 6.92%，包封率提高 12.6%（约 0.36%/μm），收益显著；

• 115→170 μm：导热仅提高 3.39%，包封率仅提高 3.5%（约 0.10%/μm），增益大幅放缓。

原因在于粒径增大后壳—核体积比下降（80/115/170 μm 对应壳核质量比 0.456/0.230/0.150），单位质量能装的芯材变多；但越过一定尺寸，包封增益趋于饱和，壳层变薄又带来团聚和机械风险。

作者把 115 μm 确定为拐点粒径，在储能密度、热响应速度与结构稳定性间取得最佳平衡。这为“颗粒该做多大”提供了可定量的依据，也是微流控单分散模型系统在本研究中的核心价值。

04 放大与级联：从 115 μm 到“五级连续缓冲”

微流控擅长精确定量，但单通道产量有限。作者的做法是“微流控找规律、原位聚合做放大”：把 115 μm 最优窗口转移给可公斤级制备的原位聚合法（脲醛树脂壳），再经 120 目 / 140 目筛网把粒径集中到 105–125 μm。该粒径下四种脲醛壳微胶囊的包封率均 >75%、潜热均 >130 J/g，与微流控样品相当——证明最优粒径规律可跨壳材迁移。

四种温区组合后效果如何？研究把微胶囊按现场近 5 年各温区低温出现频率配比（Z1:Z2:Z3:Z4 = 15:45:30:10），掺入表土—水泥基体，在 −30 °C 下做冷却测试。

图6 工作机理：四种芯材按温度由高到低依次凝固释热，把一次骤降拆成多级缓冷

空白对照组（0%）只有一个约 −0.35 °C 的平台（孔隙水冻结），随后快速降温；四温区系统则形成五级级联——四个相变平台加孔隙水冻结，平台温度依次为 5.77、0.00、−3.35、−10.27、−17.04 °C，与芯材相变温度及孔隙水冻结一一对应，最大偏差仅 0.4 °C，平台之间没有热间隔。

图7 空白对照组与含四区微胶囊相变材料（MPCM）复合体系的代表性降温曲线对比

作者把“连续缓冲”定量定义为全程冷却速率 <0.5 °C/min（单组分系统在单一平台结束后会以 >1.5 °C/min 快速降温）。总缓冲时长随掺量变化：

传热本质可用傅里叶定律解释：热流正比于温度梯度。单组分系统在一个点集中释热，内外形成大梯度、热量快速流失；级联系统把一个大梯度“驱动力”拆成多个小梯度阶段，逐级降低温差与热流，从而持续压低冷却速率。

掺量也并非越高越好。按有效介质理论，掺量 ≤10% 时颗粒均匀分散；超过 10% 后团聚加剧、界面热阻增大，且 10%→12% 的缓冲增量比 8%→10% 减少约 40%。因此10% 是综合最优掺量。

05 多维支撑：力学、种子、碳排的三重检验

力学方面，微胶囊掺量从 0% 增至 12%，无侧限抗压强度由 822.65 kPa 降至 789.52 kPa，仅下降 4.03%；方差分析显示各组无显著差异（p > 0.05），最高掺量下仍远高于 0.40 MPa 的工程限值。
生物指示方面，研究选用青藏高原高寒修复先锋物种——禾本科的高羊茅、狗牙根与菊科的波斯菊，经 −10~20 °C 循环冻融后培养，统计发芽率：

图8 不同 MPCM 添加量下禾本科与菊科种子的萌发率；与 0% 对照组相比的显著性水平标注为**p < 0.01、***p < 0.001（单因素方差分析，Tukey HSD 事后检验）

• 对照组发芽率仅禾本科 31.6%、菊科 23.1%；

• 10% 掺量双双达峰：禾本科 73.8%（+42.2 个百分点）、菊科 63.0%（+39.9 个百分点）；12% 时略降至 71.9%、62.5%。

发芽率与缓冲时长在 10% 处同步达峰、相互印证：多级缓冲平台正好覆盖种子关键冻害温区，通过减少胞外冰晶形成，减轻冰晶对种子细胞的机械穿刺。

碳足迹方面，依据 ISO 14040/14044 做全生命周期评价（功能单位为 1 延米护坡）：

图9 相变复合热管理方案与传统工程方案的过程碳足迹对比

生态方案总排放 116.6 t CO₂eq，传统浆砌方案 1781.4 t CO₂eq——前者仅为后者的 6.55%，对应减排 93.45%。最大差异来自材料生产：传统方案消耗水泥约 2317 t，生态方案仅约 87 t。该核算未计入植被碳汇，若计入净碳收益还会更高。

06 边界：从理论路径到长效应用的距离

• 热循环目前主要验证了 5 次冻融循环（5 次后熔融焓由 151.7 降至 148.7 J/g，保持约 98%），>50 次长期冻融/干湿循环性能仍待评估；

• 壳材的生物降解性与环境友好性需进一步研究；

• LCA 采用全国平均排放因子、运输距离为估算，并假设两方案工程性能等效；

• 目前以室内和模型试验为主，大规模现场试验尚待开展。

结语

这项工作最值得借鉴的，不是某一种材料，而是一套“需求定义温区、共晶对准温度、微流控定量找拐点、再交给可放大工艺”的设计链条。它把相变缓冲从“一个温度点”扩展为“一条连续温度带”，并在传热、力学、生态和碳排四个层面给出了相互咬合的证据。

当然，“连续热缓冲”能否在真实高寒工程中长期成立，仍取决于后续长循环与现场验证。在那之前，更稳妥的说法是：这是一条被初步验证、逻辑完整的技术路径，而非已经闭环的终局。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.181487

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