CN104877642A - 一种相变微胶囊复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变微胶囊复合材料及其制备方法，该材料是一种“芯-壁”结构的微胶囊，由芯材(1)和壁材(2)组成。芯材为相变材料MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·2H2O和D-甘露醇中的一种或几种，壁材为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、脲醛树脂、聚丙烯腈中的一种或几种或上述高分子聚合物与石墨烯的复合材料。其中芯材(1)占微胶囊复合材料总质量的质量百分比为35％～85％，壁材(2)占微胶囊复合材料总质量的质量百分比为15％～65％。所制得的相变微胶囊复合材料的相变点在100～200℃之间，粒径为3～4μm。本发明制备的相变微胶囊复合材料包覆率好，密封性好，相变潜热高，原料成本较低，制备工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变微胶囊复合材料，并提供了该复合材料的制备方法，属于储能材料领域。
背景技术
能源是人类赖以生存的基础。目前随着全球工业的高速发展，全球能源也日益短缺，能源的枯竭性危机和环境污染问题越来越受到人们关注，提高能源使用效率和开发可再生能源是人类面临的重要课题。目前，由于相变材料可以利用物质在相变过程中的吸热和放热效应有效地进行热能存贮和温度调控，在缓解能源危机、提高能源利用率等方面得到了广泛的应用。利用相变材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，提高能源使用效率和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领域中一个新热点。相变储热材料在工程保温材料、节能、贮能炊具、航空和航天材料等方面都将展示出广阔的应用前景。随着微纳米技术进一步的发展，将复合相变材料的制备与微纳米技术相结合，制备高效的微/纳米复合相变材料正成为储热技术领域的一个十分活跃的研究方向。
微胶囊技术是一种成膜材料把固体或液体包覆成具有核壳结构的微粒的方法，微胶囊相变材料的研究将是微胶囊技术应用到相变材料中而形成的新的研究领域。这种固体微粒可在小的温度范围内吸收或释放客观的相变潜热。微胶囊的粒径通常在0.1～1000μm，外壳厚度在0.01～10μm不等。微胶囊相变材料从技术上克服了相变物质的应用局限性，提高了相变材料的使用效率，拓宽了相变材料的应用领域，具有广阔的应用前景。
如中国专利CN200610066248.3公开了一种以石蜡为芯材，以甲苯二异氰酸酯和脲醛树脂两种材料为囊壁材料的相变微胶囊材料，此材料的相变温度从0℃～70℃。中国专利CN201410035306.0公开了一种十二醇/三聚氰胺-甲醛树脂微胶囊相变材料，此材料以十二醇乳液为芯材，三聚氰胺-甲醛树脂为壁。这些相变微胶囊材料都无法满足100～200℃的中温段应用的需求，因此开发中温相变微胶囊材料具有重要的意义和广阔的发展前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种相变微胶囊复合材料，其特征在于相变微胶囊复合材料由芯材(1)和壁材(2)组成，芯材(1)为相变材料，芯材(1)占微胶囊复合材料总量的质量百分比为35％～85％，壁材(2)为高分子聚合物或高分子聚合物-石墨烯复合材料，壁材(2)占微胶囊复合材料总量的质量百分比为15％～65％。芯材为MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·2H2O和D-甘露醇中的一种或几种，壁材是单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲醛、尿素和丙烯腈中一种或几种聚合而成的聚合物或上述聚合物与石墨烯复合材料。所得的相变微胶囊复合材料粒径在3～4μm。
相变微胶囊复合材料是通过以下步骤实现的：
(1)方法一：
A.称取芯材和去离子水混合得到芯材饱和溶液；
B.在A制得的饱和溶液中加入乳化剂，在均质机中乳化40～60min，于50～60℃的水浴中用磁力搅拌机分散20～60min，得到均匀乳液(a)；
C.将壁材聚合物的单体，溶于去离子水中并调节pH为8～8.6，于70～75℃下恒温，450～600rpm转速下反应1～3h得到透明预聚体溶液(b)；
D.将均匀乳液(a)缓慢滴加至透明预聚体溶液(b)中，调节pH为2.5～3.5，在70～75℃下，600～800rpm搅拌2.5～3.5h后，用丙酮和去离子水洗涤干燥，真空抽滤，得到相变微胶囊复合材料。
(2)方法二
A.称取芯材、乳化剂、有机溶剂，在超声波中分散40～60min，得到均匀乳液；
B.将聚合物单体、石墨烯和引发剂缓慢滴加到上述均匀乳液中，在50℃～70℃恒温水浴下，以600～900rpm搅拌速率，反应9～12h后，真空抽滤，用去丙酮和去离子水洗涤干燥，得到相变微胶囊复合材料。
上述方法中所述的引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰、过硫酸铵中的一种，乳化剂为十二烷基苯磺酸钠、SPAN-80中的一种，有机溶剂为正己烷、甲苯中的一种或两种。
本发明的优点：
本发明制备的相变微胶囊复合材料相变点在100～200℃之间，包覆率好，密封性好，相变潜热高，原料成本较低，制备工艺简单。
具体实施方式
结合实施案例对本发明做进一步详细说明，但本发明保护范围不限于所述内容。
实施例1：
称取3.5g的MgCl2·6H2O，用去离子水配成饱和溶液，加入0.45g十二烷基苯磺酸钠，在均质机中充分乳化40min，然后将其在50℃恒温水浴中用磁力搅拌器乳化20min，得到均匀乳液(a)；称取2.8g尿素和3.7g甲醛溶解于去离子水中并调节pH为8.6。在70℃，450rpm的转速下搅拌1h，得透明脲醛树脂预聚体溶液(b)；将乳液(a)缓慢滴加至预聚体溶液(b)中，调节pH为3，在70℃，600rpm的转速下反应2.5h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例2：
称取6g MgCl2·6H2O，用离子水配成饱和溶液，加入0.6g十二烷基苯磺酸钠，在均质机中充分乳化50min，然后将其在55℃恒温水浴中用磁力搅拌器乳化40min，得到均匀乳液(a)；1.7g尿素和2.3g甲醛溶解于去离子水中并调节pH为8.6；在73℃，500rpm的转速下搅拌2.5h，得透明脲醛树脂预聚体溶液(b)；将乳液(a)缓慢滴加至预聚体溶液(b)中，调节pH为3，在72℃，800rpm的转速下反应3h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例3：
称取8.5g Mg(NO3)2·2H2O，用离子水配成饱和溶液，加入0.8g十二烷基苯磺酸钠，在均质机中充分乳化60min，然后将其在60℃恒温水浴中用磁力搅拌器乳化60min，得到均匀乳液(a)；0.64g尿素和0.86g甲醛溶解于去离子水中并调节pH为8.6；在75℃，550rpm的转速下搅拌3h，得透明脲醛树脂预聚体溶液(b)；将乳液(a)缓慢滴加至预聚体溶液(b)中，调节pH为3.5，在74℃，700rpm的转速下反应3.5h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例4：
称取8.5g Mg(NO3)2·2H2O和一定去离子水混合均匀，然后在40℃的恒温水浴下加入0.8g十二烷基苯磺酸钠，在均质机中充分乳化60min，然后将其在55℃恒温水浴中用磁力搅拌器乳化20min，得到均匀乳液(a)；0.64g尿素和0.86g甲醛溶解于去离子水中并调节pH为8.6；在75℃，600rpm的转速下搅拌3h，得透明脲醛树脂预聚体溶液(b)；将乳液(a)缓慢滴加至预聚体溶液(b)中，调节pH为2.5，在70℃，800rpm的转速下反应3h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例5：
称取4g Mg(NO3)2·2H2O，0.4g SPAN-80和40ml正己烷，用超声波分散40min，得到均匀乳液；将0.12g偶氮二异丁腈加入到上述乳液中，并且将6g丙烯腈单体缓慢滴加至乳液中，在50℃水浴，800rpm的转速下反应9h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤干燥，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例6：
称取6g D-甘露醇，0.45g SPAN-80和40ml正己烷，用超声波分散50min，得到均匀乳液；将0.12g过氧化二苯甲酰加入到上述乳液中，并且将4g丙烯腈单体缓慢滴加至乳液中，在50℃水浴，900rpm的转速下反应10h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤干燥，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例7：
称取6g Mg(NO3)2·2H2O，0.45g十二烷基苯磺酸钠和40ml甲苯，用超声波分散45min，得到均匀乳液；将0.12g过硫酸铵加入到上述乳液中，并且将4g苯乙烯单体缓慢滴加至乳液中，在60℃水浴，900rpm的转速下反应11h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤干燥，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例8：
称取8g MgCl2·2H2O，0.5g十二烷基苯磺酸钠和40ml正己烷，用超声波分散55min，得到均匀乳液；将0.12g过硫酸铵加入到上述乳液中，并且将2g甲基丙烯酸甲酯单体缓慢滴加至乳液中，在70℃水浴，800rpm的转速下反应12h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤干燥，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例9：
称取6g Mg(NO3)2·2H2O，0.2g D-甘露醇，0.45g十二烷基苯磺酸钠和40ml正己烷，用超声波分散60min，得到均匀乳液；将0.12g过硫酸铵加入到上述乳液中，并且将4g甲基丙烯酸甲酯单体缓慢滴加至乳液中，在70℃水浴，900rpm的转速下反应12h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤干燥，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例10：
称取6g Mg(NO3)2·2H2O，0.45g十二烷基苯磺酸钠和40ml正己烷，用超声波分散45min，得到均匀乳液；将0.12g过硫酸铵加入到上述乳液中，并且将3.8g苯乙烯单体缓慢滴加至乳液中并加入0.2g石墨烯粉体，在60℃水浴，900rpm的转速下反应11h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤干燥，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
实施例11：
称取8g Mg(NO3)2·2H2O，0.45g十二烷基苯磺酸钠和40ml甲苯，用超声波分散60min，得到均匀乳液；将0.12g过硫酸铵加入到上述乳液中，并且将1.9g甲基丙烯酸甲酯单体缓慢滴加至乳液中并加入0.1g石墨烯，在60℃水浴，900rpm的转速下反应11h，真空抽滤，并用丙酮和去离子水洗涤干燥，得到固体粉末，即为相变微胶囊复合材料。
Claims (4)
1.一种相变微胶囊复合材料，由芯材(1)和壁材(2)组成，所述的芯材(1)为相变材料，芯材(1)占微胶囊复合材料总量的质量百分比为35％～85％，所述的壁材(2)为高分子聚合物或高分子聚合物-石墨烯复合材料，壁材(2)占微胶囊复合材料总量的质量百分比为15％～65％。
2.根据权利要求书1所述的相变微胶囊复合材料，其特征在于所述的芯材为MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·2H2O和D-甘露醇中的一种或几种，壁材是单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲醛、尿素、丙烯腈中一种或几种聚合而成的聚合物或上述聚合物与石墨烯复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种相变微胶囊复合材料的制备方法，可通过以下步骤实验：
(1)方法一：
A.称取芯材和去离子水混合得到芯材饱和溶液；
B.在A制得的饱和溶液中加入乳化剂，在均质机中乳化40～60min，于50～60℃的水浴中用磁力搅拌机分散20～60min，得到均匀乳液(a)；
C.将壁材聚合物的单体，溶于去离子水中并调节pH为8～8.6，于70～75℃下恒温，450～600rpm转速下反应1～3h得到透明预聚体溶液(b)；
D.将均匀乳液(a)缓慢滴加至透明预聚体溶液(b)中，调节pH为2.5～3.5，在70～75℃下，600～800rpm搅拌2.5～3.5h后，用丙酮和去离子水洗涤干燥，真空抽滤，得到相变微胶囊复合材料。
(2)方法二
A.称取芯材、乳化剂、有机溶剂，在超声波中分散40～60min，得到均匀乳液；
B.将聚合物单体、石墨烯和引发剂缓慢滴加到上述均匀乳液中，在50℃～70℃恒温水浴下，以600～900rpm搅拌速率，反应9～12h后，真空抽滤，用去丙酮和去离子水洗涤干燥，得到相变微胶囊复合材料。
4.根据权利要求书3所述的一种相变微胶囊复合材料的制备方法，其特征在于所述的引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰、过硫酸铵中的一种，乳化剂为十二烷基苯磺酸钠、SPAN-80中的一种，有机溶剂为正己烷、甲苯中的一种或两种。
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