以链烷烃或石蜡为芯材的双壳层微胶囊相变材料及其制备方法

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以链烷烃或石蜡为芯材的双壳层微胶囊相变材料及其制备\n方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种微胶囊相变材料，具体涉以链烷烃或石蜡为芯材的双壳层微胶囊相变材料及其制备方法。\n[0002] 背景技术\n[0003] 相变材料是利用物质发生相变时需要吸收或放出大量热量的性质来贮热的。但由于相变材料在工作时发生固液相变易产生流动、泄漏等问题，这给实际使用带来了诸多不便。为了解决这些问题，对相变材料进行微胶囊化是一种有效的方法。相变材料微胶囊是利用聚合物作壁材，相变物质为芯材制备的微小颗粒。具有贮热温度高、设备体积小、使用方便、热效率高以及放热为恒温过程等优点，利用相变材料微胶囊这种蓄热、放热作用，可以调整、控制工作源或材料周围环境的温度。微胶囊化相变材料的制备与用途在专利US5290904、US5456852、US5916478、CA2511177与CN1695790A、CN1732043A中都进行过详细的介绍。\n[0004] 其中专利US5456852、CA2511177A、CN1732043A都介绍了以三聚氰胺甲醛树脂或其改性物作为壳材，正十八烷等石蜡系正烷烃为芯材，采用原位聚合法制备的微胶囊。其结果都制备出了性能良好的相变蓄热材料微胶囊，特别是专利CA2511177、CN1732043A中通过加入TDI等对三聚氰胺-甲醛树脂进行改性制得的微胶囊具有粒度均一、包覆完全、表面光滑等优点。但此方法对芯材与异氰酸酯等的相溶性要求严格，其文中指出“可选的多异氰酸酯和聚丙二醇应当都能溶于所采用的链烷烃化合物中”，这在很大程度上限制了其使用范围。且所使用的纯的直链烷烃的价格昂贵、成本偏高，这也在很大程度上限制了其大规模的使用。\n[0005] 发明内容\n[0006] 本发明的目的是解决现有技术中存在缺点，提供一种包裹致密、强度高、成本低的以链烷烃或石蜡双壳层微胶囊相变材料。\n[0007] 本发明的另一目的在于提供上述以链烷烃化合物或石蜡为芯材的双壳层微胶囊相变材料的制备方法。\n[0008] 本发明的目的通过如下技术方案实现。\n[0009] 以链烷烃或石蜡为芯材的双壳层微胶囊相变材料，其特征在于，微胶囊相变材料的组分重量百分比如下：\n[0010] 芯材相变材料 60％\n[0011] 壁材聚合物 10-30％\n[0012] 溶剂 6.0-11.4％\n[0013] 乳化剂 0.6-1.2％\n[0014] 保护胶体 6.4-15％\n[0015] 所述芯材相变材料为相变温度为20-70℃链烷烃或混合物石蜡；所述链烷烃为正十八烷或正十九烷。\n[0016] 所述乳化剂为聚丙二醇，平均分子量为1000-4000；\n[0017] 所述的溶剂为环己烷，可以溶解异氰酸酯与乳化剂，且与芯材互溶性良好；环己烷的加入可以解决“多异氰酸酯和聚丙二醇应当都能溶于所采用的链烷烃化合物中”的问题。\n[0018] 所选用的壁材聚合物为三聚氰胺-甲醛树脂与聚脲树脂。其中三聚氰胺与甲醛的摩尔比为1∶2.0-1∶4.0；聚脲树脂由水溶性的单体二元(多元)胺、用二元(多元)醇等与油溶性的单体异氰酸酯、酰氯等聚合形成，反应活性酰氯高于异氰酸酯，胺高于醇，它们在室温即发生缩聚。本发明选用乙二胺与异氰酸酯作为壳材聚合单体，其摩尔比为\n1∶1.1-1∶1.3，增加异氰酸酯的量可以使反应后聚脲层里面没反应的异氰酸酯和聚丙二醇反应形成另外一个聚氨基层，这一层将通过异氰酸酯的作用与聚脲层连接使微胶囊包裹的更加完全。\n[0019] 目前适用做保护胶体的有天然聚合物、半合成聚合物与合成聚合物三类。本发明选用含有阴离子基团的合成聚合物作为保护胶体，因为含有阴离子基团的保护胶体在作为保护胶体的同时可以与乳化剂聚丙二醇共同作用使芯材液滴分散的更好，起到乳化作用。\n本发明选用含有羧酸基团的聚丙烯酸与聚苯乙烯-马来酸酐的钠盐作为保护胶体，分子量为100000-2000000。\n[0020] 所述溶剂、乳化剂、保护胶体和芯材相变材料包覆于内壳层内。\n[0021] 所述双壳层微胶囊相变材料的平均粒径为3-5微米，相变潜热达180J/g以上，且粒径均一、包裹完全。\n[0022] 双壳层微胶囊相变材料制备方法，包括如下步骤：\n[0023] (1)芯材的乳化：将异氰酸酯与聚丙二醇溶于环己烷中，在高于选用芯材熔点5℃的条件下与芯材相变材料共溶形成芯材溶液；将芯材溶液加入溶有保护胶体的去离子水中，在5000-8000r/min的条件下乳化10-20min，形成芯材乳液；\n[0024] (2)第一层壳材的包覆：向乳化液中滴加乙二胺水溶液，滴加完毕后，室温下反应\n1.5小时，得到聚脲包裹的微胶囊的水溶液；\n[0025] (3)第二层壳材预聚物的制备：将三聚氰胺与甲醛水溶液加入到去离子水中，调Ph值至7-8，升温至70℃-80℃，搅拌，至溶液透明得三聚氰胺-甲醛预聚体；\n[0026] (4)第二层壳材的包覆：将三聚氰胺-甲醛树脂预聚体加入步骤(2)制备的微胶囊乳液中，调Ph值至5-6，在70℃-80℃条件下，在400-500r/min的条件下反应2小时，降温，出料即得微胶囊溶液，再经过虑、洗涤、喷雾干燥即得微胶囊粉体。\n[0027] 所述异氰酸酯选自2，4-二甲基甲苯二异氰酸酯(TDI)与六亚甲基1，6-二异氰酸酯(HDI)中的一种或两种的混合物，其用量为芯材相变材料组分重量的5-8％。环己烷用量约为异氰酸酯用量的1-3倍\n[0028] 本发明与现有技术相比有以下优点：\n[0029] (1)本发明通过使用双壳层包裹，使微胶囊的包裹更加致密、强度增加，解决了微胶囊易泄漏的问题，增加了其使用寿命。\n[0030] (2)本发明通过加入环己烷解决了芯材与乳化剂、异氰酸酯的互溶问题，增加了其使用范围。\n[0031] (3)本发明使用了价格低廉的石蜡作为芯材，这大大降低了生产微胶囊相变材料的成本。合成出的微胶囊可以大量应用于太阳能、建筑等行业。\n[0032] (4)本发明同时使用界面聚合法与原位聚合法合成微胶囊，在解决了界面聚合包裹不够致密问题的同时，也解决了原位聚合中预聚物不能很均匀的分散到乳胶液滴上以至于造成部分包裹不到的问题。\n[0033] 附图说明\n[0034] 图1是本发明以石蜡为芯材制备的微胶囊的扫描电镜图；\n[0035] 图2是本发明以石蜡为芯材制备的单个微胶囊的扫描电镜图；\n[0036] 图3是本发明以石蜡为芯材制备的微胶囊的DSC图；\n[0037] 图4是本发明以正十八烷为芯材制备的微胶囊的扫描电镜图；\n[0038] 图5是本发明以正十八烷为芯材制备的微胶囊的DSC图；\n[0039] 图6是本发明以正十九烷为芯材制备的微胶囊的扫描电镜图。\n具体实施方式\n[0040] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。\n[0041] 实施例1\n[0042] 1、将分子量为2000的聚丙二醇0.3g与1.7gTDI溶于3.5g环己烷中，在65℃的条件下与20g石蜡共溶。\n[0043] 2、将上述芯材溶液加入60g含有3.2g分子量为100000聚丙烯酸钠盐的去离子水中，65℃，6000r/min的条件下乳化15分钟，得芯材乳液。\n[0044] 3、将芯材乳液转移至三口烧瓶中，65℃，350r/min的条件下滴加10g含有0.8g乙二胺的水溶液，20分钟滴完，保温反应1.5小时。\n[0045] 4、将2.4g三聚氰胺与4.2g甲醛水溶液加入到去离子水中，调Ph值至7-8，升温至\n70℃，搅拌，至溶液透明得三聚氰胺-甲醛预聚体。\n[0046] 5、将三聚氰胺-甲醛树脂预聚体加入步骤3制备的微胶囊乳液中，调Ph值至5-6，升温至70℃，在400-500r/min的条件下反应2小时，降温，出料即得微胶囊溶液。过滤、洗涤、喷雾干燥即得微胶囊粉体。\n[0047] 微胶囊粉体试样的显微镜观察如附图1、2所示，显示的微胶囊的平均粒径在5-8微米之间，微胶囊表面光洁、包裹完全的不规则球体。附图3为本实施例制备的微胶囊的DSC曲线，由图可知，升温过程的峰值在51.5℃左右，起始点在45.9℃附近，峰面积为\n159.2J/g，终止点为57.6℃；降温过程的峰值在60.8℃左右，起始点在57.5℃附近，峰面积为138.6J/g，终止点为64.3℃。升温过程的相变温度范围为45.9℃-57.6℃，相变潜热为\n159.2J/g。降温过程中相变潜热为138.6J/g，相变温度范围为57.5℃-64.3℃，无过冷现象出现。说明微胶囊已经完全包覆相变材料，而且相变潜热达到159J/g。\n[0048] 实施例2\n[0049] 1、将分子量为2000聚丙二醇0.3g与1.6gHDI溶于3.3g环己烷中，在65℃的条件下与20g正十八烷共溶。\n[0050] 2、将上述芯材溶液加入60g含有3.2g分子量为150000聚丙烯酸钠盐的去离子水中，35℃，7000r/min的条件下乳化15分钟，得芯材乳液。\n[0051] 3、将芯材乳液转移至三口烧瓶中，35℃，350r/min的条件下滴加10g含有0.8g乙二胺的水溶液，20分钟滴完，保温反应1.5小时。\n[0052] 4、将2.4g三聚氰胺与4.2g甲醛水溶液加入到去离子水中，调Ph值至7-8，升温至\n70℃，搅拌，至溶液透明得三聚氰胺-甲醛预聚体。\n[0053] 5、将三聚氰胺-甲醛树脂预聚体加入步骤3制备的微胶囊乳液中，调Ph值至5-6，升温至70℃，在450r/min的条件下反应2小时，降温，出料即得微胶囊溶液。过滤、洗涤、喷雾干燥即得微胶囊粉体。\n[0054] 微胶囊粉体试样的显微镜观察如附图4所示，显示的微胶囊的平均粒径在3-5微米之间，微胶囊为包裹完全的光滑球体。附图5为本实施例制备的微胶囊的DSC曲线，由图可知，升温过程的峰值在30.443℃左右，起始点在26.313℃附近，峰面积为183.3J/g，终止点为34.344℃；降温过程的峰值在22.463℃左右，起始点在12.052℃附近，峰面积为\n180.8J/g，终止点为24.967℃。升温过程的相变温度范围为26.313℃-34.344℃，相变潜热高达183.3J/g，目前以正十八烷为芯材制备的微胶囊的相变潜热多为160J/g左右，我们产品的相变潜热远远高于目前国内同类产品。降温过程中相变潜热为180.8J/g，相变温度范围为12.052℃24.967℃，有过冷现象出现，解决过冷这类问题将是我们下步工作的重点。\n[0055] 实施例3\n[0056] 1、将0.35g分子量为2500的聚丙二醇与1.8gTDI溶于3.5g环己烷中，在38℃的条件下与20g正十九烷共溶。\n[0057] 2、将上述芯材溶液加入60g含有3.6g分子量为2000000的聚苯乙烯-马来酸酐钠盐的去离子水中，38℃，6000r/min的条件下乳化20分钟，得芯材乳液。\n[0058] 3、将芯材乳液转移至三口烧瓶中，38℃，350r/min的条件下滴加10g含有0.7g乙二胺的水溶液，20分钟滴完，保温反应1.5小时。\n[0059] 4、将2.4g三聚氰胺与4.2g甲醛水溶液加入到去离子水中，调Ph值至7-8，升温至\n80℃，搅拌，至溶液透明得三聚氰胺-甲醛预聚体。\n[0060] 5、将三聚氰胺-甲醛树脂预聚体加入步骤3制备的微胶囊乳液中，调Ph值至5-6，升温至70℃，在450r/min的条件下反应2小时，降温，出料即得微胶囊溶液。过滤、洗涤、喷雾干燥即得微胶囊粉体。\n[0061] 微胶囊粉体试样的显微镜观察如附图6所示，显示的微胶囊的平均粒径在3-5微米之间，微胶囊表面光洁、包裹完全的球体。\n[0062] 实施例4\n[0063] 1、将0.4g分子量为3000的聚丙二醇与1.7gTDI溶于3.5g环己烷中，在35℃的条件下与20g正十八烷共溶。\n[0064] 2、将上述芯材溶液加入60g含有3.6g分子量为100000的聚苯乙烯-马来酸酐钠盐的去离子水中，35℃，6000r/min的条件下乳化15分钟，得芯材乳液。\n[0065] 3、将芯材乳液转移至三口烧瓶中，35℃，350r/min的条件下滴加10g含有0.8g乙二胺的水溶液，20分钟滴完，保温反应1.5小时。\n[0066] 4、将2.0g三聚氰胺与4.8g甲醛水溶液加入到去离子水中，调Ph值至7-8，升温至\n70℃，搅拌，至溶液透明得三聚氰胺-甲醛预聚体。\n[0067] 5、将三聚氰胺-甲醛树脂预聚体加入步骤3制备的微胶囊乳液中，调Ph值至5-6，升温至70℃，在500r/min的条件下反应2小时，降温，出料即得微胶囊溶液。过滤、洗涤、喷雾干燥即得微胶囊粉体。\n[0068] 实施例5\n[0069] 1、将0.34g分子量为2000的聚丙二醇与1.7gTDI溶于3.5g环己烷中，在35℃的条件下与20g正十八烷共溶。\n[0070] 2、将上述芯材溶液加入60g含有5.0g分子量为2000000聚苯乙烯-马来酸酐钠盐的去离子水中，35℃，8000r/min的条件下乳化15分钟，得芯材乳液。\n[0071] 3、将芯材乳液转移至三口烧瓶中，35℃，350r/min的条件下滴加10g含有0.8g乙二胺的水溶液，20分钟滴完，保温反应1.5小时。\n[0072] 4、将2.4g三聚氰胺与8.2g甲醛水溶液加入到去离子水中，调Ph值至7-8，升温至\n70℃，搅拌，至溶液透明得三聚氰胺-甲醛预聚体。\n[0073] 5、将三聚氰胺-甲醛树脂预聚体加入步骤3制备的微胶囊乳液中，调Ph值至5-6，升温至75℃，在500r/min的条件下反应2小时，降温，出料即得微胶囊溶液。过滤、洗涤、喷雾干燥即得微胶囊粉体。\n[0074] 实施例6\n[0075] 1、将0.35g分子量为2000的聚丙二醇与1.0gTDI溶于2.0g环己烷中，在38℃的条件下与20g正十九烷共溶。\n[0076] 2、将上述芯材溶液加入60g含有5.4g分子量为2000000的聚苯乙烯-马来酸酐钠盐的去离子水中，38℃，6000r/min的条件下乳化20分钟，得芯材乳液。\n[0077] 3、将芯材乳液转移至三口烧瓶中，38℃，200r/min的条件下滴加10g含有0.6g乙二胺的水溶液，20分钟滴完，保温反应1.5小时。\n[0078] 4、将3.6g三聚氰胺与8.2g甲醛水溶液加入到去离子水中，调Ph值至7-8，升温至\n80℃，搅拌，至溶液透明得三聚氰胺-甲醛预聚体。\n[0079] 5、将三聚氰胺-甲醛树脂预聚体加入步骤3制备的微胶囊乳液中，调Ph值至5-6，升温至70℃，在450r/min的条件下反应2小时，降温，出料即得微胶囊溶液。过滤、洗涤、喷雾干燥即得微胶囊粉体。\n[0080] 实施例7\n[0081] 1、将0.2g分子量为4000的聚丙二醇与1.2gTDI、0.6gHDI溶于3.8g环己烷中，在\n65℃的条件下与20g石蜡共溶。\n[0082] 2、将上述芯材溶液加入60g含有3.2g分子量为1800000聚丙烯酸钠盐的去离子水中，65℃，6000r/min的条件下乳化15分钟，得芯材乳液。\n[0083] 3、将芯材乳液转移至三口烧瓶中，65℃，350r/min的条件下滴加10g含有1.6g乙二胺的水溶液，20分钟滴完，保温反应1.5小时。\n[0084] 4、将2.4g三聚氰胺与4.2g甲醛水溶液加入到去离子水中，调Ph值至7-8，升温至\n70℃，搅拌，至溶液透明得三聚氰胺-甲醛预聚体。\n[0085] 5、将三聚氰胺-甲醛树脂预聚体加入步骤3制备的微胶囊乳液中，调Ph值至5-6，升温至70℃，在400r/min的条件下反应2小时，降温，出料即得微胶囊溶液。过滤、洗涤、喷雾干燥即得微胶囊粉体。\n[0086] 如上所述即可较好实现本发明。