[发明专利]一种相变材料微胶囊的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种相变材料包覆技术，特别涉及的是一种采用表面修饰法制备相变储能微胶囊的方法，属于功能性复合材料技术领域。

背景技术

相变材料((PCMs)是指物质发生相变时能够吸收或释放热量而该物质本身温度保持不变或变化不大的一种材料。相变材料根据相变形式主要分为固-固相变、固-液相变、固-气相变、液-气相变材料；按照相变温度范围可分为高、中、低温相变材料；按照成分可分为有机、无机相变材料。近年来，相变材料的应用研究已经扩展到了建筑节能、保温服装、储能炊具、军事伪装等方面。石蜡类烷烃具有不同的熔点和结晶点，改变不同烷烃的混合比例，可以得到不同的相变温度范围。且这种相变蜡无毒、不腐蚀、不吸湿，其热性能在长期使用中保持稳定，相变潜热达100-300J/g，而原料成本很低，是当今应用最为广泛的一种相变材料。由于石蜡类固-液相变材料在相变过程中出现液体状态，不利于循环利用。因此，一般是采取微胶囊化的方法将相变材料用有机或无机物包裹起来。

微胶囊技术是一种用成膜材料把液体或固体包覆，使之形成微米或毫米颗粒的技术。将相变材料包覆于微胶囊所形成的颗粒称为相变材料微胶囊，它具有特殊的温度调节功能。微胶囊中的相变材料随外界温度可以发生相变，同时表面包覆的高分子膜则保持为固态。在环境温度升高过程中，当温度高于相变温度，微胶囊中的相变材料吸收环境中的热量，发生相变，直至全部由固态转变为液态；而在环境温度低于相变温度时，相变材料放出吸收的热量，发生液-固相转变。这种吸热和放热功能，可以使微胶囊表面的温度在一定时间内保持相对恒定。微胶囊相变材料的优点在于减少或避免相变材料与环境的接触、增加传热面积、确保相变发生在壁材内。

目前，固-液有机相变材料的微胶囊化方法主要有原位聚合法、界面聚合法、凝聚法和喷雾干燥法。原位聚合法是形成囊壁的单体及引发剂全部位于相变材料乳化液滴的内部或外部，在液滴表面发生聚合反应得到微胶囊的方法。文章(Materials Chemistry and Physics，2004，88：300.Journal of Applied Polymer Science，2005，97：390和Journal of Colloid and Interface Science，2005，281：299)和专利(中国专利02141027.5和03130587.3及美国专利US.0076826)采用原位聚合法制备脲醛树脂、蜜胺树脂为壁材的相变微胶囊。但是，原位聚合法制成的脲醛树脂或蜜胺树脂封装的相变材料微胶囊其壳层脆性较大，当内部的相变材料熔融后体积膨胀易导致壳层破裂而流到微胶囊外，其形式上又变为固-液相变。同时，在生产和使用过程中会释放出有害气体甲醛，对身体健康和生产设备造成伤害。界面聚合法是将相变材料在溶有成壳材料单体的连续相中乳化或分散，然后将水溶性单体的水溶液或含油溶性反应物的有机溶剂分散到有机相或水相中，加入乳化剂后这两种单体分别从分散相和连续相向界面移动并迅速在界面上发生聚合反应得到微胶囊。文章(Colloid and Polymer Science，2002，280：260)采用界面聚合法制备了聚氨醋为壳材的相变储能微胶囊，其壳层具有一定的渗透性，经反复熔融与结晶后，内部的相变材料仍不可避免地渗透微胶囊外部。文章(Chinese Chemical Letters，2004，15(6)：729)采用界面聚合法制备以十六烷为核，聚脲为壳的微胶囊。通过2，4-甲苯二异氰酸酯与乙二胺反应制备聚脲壳材将十六烷包覆，具有反应迅速，可连续生产的特点。同时反应迅速也带来了不利的一面：反应速度过快，因此不易控制，易结块，所以对单体的滴加速度和滴加浓度的要求很高。凝聚法是将芯材乳化或分散在溶有壁材的连续相中，然后采用改变温度、改变pH值、加入成膜材料的非溶剂等方法，使壁材溶解度降低从而使其从连续相中分离出来形成黏稠的液相包覆在芯材上形成微胶囊。文章(International Journal of Solar Energy，2000，20：227)和专利(中国专利10009697.5和10038602.7)以明胶和阿拉伯胶复凝聚物为壳材制备了包覆十四烷、十五烷和十六烷的相变微胶囊。但是经复凝聚法制成的相变材料微胶囊，由于阿拉伯胶原料较贵且易水解而降解，导致微胶囊破坏。喷雾干燥法是将芯材和壳材的混合物通入加热室或冷却室，快速脱除溶剂后凝固得到微胶囊。文章(石蜡相变微胶囊的制备及其在热隐身涂层中的应用[D]，北京工业大学，2009)介绍了一种利用明胶溶液对乳化石蜡进行喷雾干燥得到粒径分布均匀的微胶囊产品的方法，尽管该方法工艺简单，但是这种物理包覆作用对相变材料泄漏和体积膨胀等缺点改善作用有限。