CN102059083B - 一种壁材镶嵌纳米氧化铝的相变微胶囊的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种壁材镶嵌纳米氧化铝颗粒的相变微胶囊的制备方法属于微胶囊的制备领域。该微胶囊由内部芯材和外部壁材构成,其中壁材内镶嵌有纳米氧化铝颗粒。该方法包括:①将芯材乳化形成乳液;②制备三聚氰胺-甲醛预聚体溶液,然后采用高速分散机对纳米氧化铝,分散剂,润湿剂和水组成的混合液进行搅拌,得到纳米氧化铝分散液,再将分散液加到三聚氰胺-甲醛预聚体溶液中,从而得到分散有纳米氧化铝的三聚氰胺-甲醛预聚体溶液;③将分散有纳米氧化铝的三聚氰胺-甲醛预聚体溶液添加到乳液中进行反应。本发明氧化铝在壁材中分散均匀,可显著提高相变微胶囊的热稳定性,并可在一定范围内对相变微胶囊的相变特征进行调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种壁材镶嵌纳米氧化铝的相变微胶囊及其制备方法。属于相变储能微胶囊制备技术。
背景技术
相变微胶囊就是利用壁材将芯材相变材料进行包覆得到的一种核壳结构的球形物质。微胶囊化相变材料的研究始于1970s,近年来吸引了越来越多人的注意。可以采用各种不同的方法制备相变微胶囊,包括原位聚合法,界面聚合法,乳液聚合法,复凝聚法和喷雾干燥法。相变微胶囊的应用领域包括:调热纤维,热能传递和建筑材料。
相变微胶囊的外壳材料对其性能有着重要的影响,且不同的应用领域对外壳材料有不同的要求,因此外壳材料的选取至关重要。为了对相变材料起到良好的保护作用,常选择三聚氰胺-甲醛树脂,脲醛树脂,聚氨酯或者他们的复合体系作为相变微胶囊的壁材。
有关均质壁材相变微胶囊的制备技术已经很成熟了,为了赋予相变微胶囊新的特殊功能,一些研究人员开始尝试在微胶囊中镶嵌入纳米颗粒。如在微胶囊壁材中引入新颖的光催化剂或者锐钛型二氧化钛的微胶囊能够增强防紫外线的功效。若选用珍珠纳米粉和维他命E为纳米颗粒镶嵌到微胶囊的壁材中,这种结构的微胶囊可应用于皮肤护理产品。微胶囊中添加入具有极好的电导性和热传导性的碳纳米管可以用来增强微胶囊的电磁屏蔽作用,导电性能和热传导性能。专利02828346.5公开了一种含银纳米粒子的功能性微胶囊的制备方法,该方法包括:将功能性物质与水中的表面活性剂混合并乳化改混合物;添加成壳物质至该乳化液中形成一微胶囊,在固化外壳前,将微胶囊用在水溶性苯乙烯马来酸酐聚合物溶液中分散的银纳米粒子处理,以使银纳米粒子粘附在微胶囊外壳上。该微胶囊不仅具有在内核中的功能性物质所赋予的性质,同时还具有银所固有的抗菌性和治疗功能。Song Qingwen等人对一种纳米银颗粒复合相变微胶囊的热稳定性进行了研究(Song Qingwen,Li Yi,Xing Jianwei,Hu J.Y.,Marcus Yuen.Thermal stability of composite pHase change material microcapsules incorporated with silver nano-particles.Polymer 48(2007):3317-3323),得出纳米复合相变微胶囊比传统相变微胶囊有更高的热稳定性。专利200780026400.8公开了一种制作含有纳米颗粒的微胶囊的制备 工艺,在该工艺中主要是将纳米粒子与芯材溶液混合,通过选择适当的辅助材料以控制纳米颗粒与芯材料之间的界面张力,可以形成不同种类的纳米复合结构的微胶囊。例如可以制备出壳结构表面含有纳米颗粒(如珍珠纳米粉,二氧化钛,碳纳米管,银纳米粉末和纳米氧化锌)的微胶囊。此外,还可以制备出壳材料与新材料的界面之间分布有磁铁纳米颗粒的微胶囊。但是,用这种方法所制备的含有纳米氧化铝的微胶囊中,氧化铝分布在芯材料的内部,而不是壳材料内。时雨荃(时雨荃,蔡明建.无机纳米粒子填充相变微胶囊壁的研究.高分子材料科学与工程.2006,22(6):201-204)(时雨荃,蔡明健.纳米复合膜相变微胶囊的制备及性质.化学工业与工程.2006,23(3):224-227)和余飞(余飞,陈中华,曾幸荣.纳米SiO2改性相变储热微胶囊的制备及性能研究.化工新型材料.2009,37(3):44-46)分别制备出了壁材含有纳米TiO2和SiO2粒子的相变储热微胶囊。
目前,还未见有关壁材上镶嵌纳米氧化铝颗粒的相变微胶囊的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种壁材镶嵌纳米氧化铝的相变微胶囊及其制备方法。该微胶囊是通过下述技术方案制备的:①将芯材相变材料在阴离子乳化剂的作用下乳化形成乳液;②制备三聚氰胺-甲醛预聚体溶液,然后采用高速分散机对纳米氧化铝,分散剂,润湿剂和水组成的混合液进行搅拌,得到纳米氧化铝分散液,再将纳米氧化铝分散液加到三聚氰胺-甲醛预聚体溶液中,从而得到分散有纳米氧化铝的三聚氰胺-甲醛预聚体溶液;③将分散有纳米氧化铝的三聚氰胺-甲醛预聚体溶液添加到乳液中进行反应,从而形成壁材包覆到芯材的表面,而且纳米氧化铝颗粒镶嵌在壁材中。
本发明的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的相变微胶囊的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)将芯材石蜡乳化形成乳液
将熔点为48-50℃的石蜡和乳化剂苯乙烯-马来酸酐共聚物钠盐加入到60-90℃的去离子水中;待石蜡熔化后,以700-1000rpm的搅拌速度将混合物乳化0.5-2.5h得到乳液;再用10-30wt.%的醋酸水溶液将乳液的pH值调至3-5得到酸性乳液;
(2)制备分散有纳米氧化铝的成壁材料
将三聚氰胺、甲醛、去离子水按照3∶3.7∶26.3的质量比混合,用10-30wt.%的三乙醇胺水溶液调节溶液的pH值为8.0-9.0,然后在70-90℃的温度范围 内,以300-900rpm的搅拌速度搅拌30-60min,即得三聚氰胺-甲醛树脂预聚体溶液;
将分散剂、润湿剂以及纳米氧化铝分散于去离子水中,得到纳米氧化铝混合液;将纳米氧化铝的混合液加入到三聚氰胺-甲醛预聚体溶液中,形成分散有纳米氧化铝的成壁材料;分散剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸(钠)、阿拉伯树胶、硅溶胶、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和六偏磷酸钠中的一种或多种;润湿剂选自烷基酚聚氧乙烯醚、失水山梨醇聚氧乙烯醚单硬脂酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物中的一种或多种;其中各组成成分重量配比如下:
去离子水 100
纳米氧化铝 10-20
分散剂 0.1-2
润湿剂 0.2-1
(3)壁材包覆过程
调节酸性乳液的搅拌转速至200-600rpm,将分散有纳米氧化铝的成壁材料以1-5ml/min的速度添加到上述酸性乳液中反应2-4h,从而形成壁材包覆到芯材的表面;用10-30wt.%的三乙醇胺水溶液将pH值调节至9.0,结束聚合反应;趁热过滤,用70℃的去离子水洗涤至滤液的pH为7,干燥得到相变微胶囊粉末。
进一步其中所述的纳米氧化铝混合液进一步用高速分散机以8000-12000rpm的搅拌速度分散20-60min制得。
进一步,其中所述的芯材石蜡和成壁材料的质量比为60∶40-80∶20。
本发明与现有技术相比具有如下特点:
(1)采用分散剂和润湿剂对纳米氧化铝进行预分散处理,可以很好的解决纳米氧化铝的团聚现象,从而制备出纳米氧化铝在囊壁中分布较为均匀的相变微胶囊。
(2)本发明中先将纳米氧化铝的分散液加入到壁材中,混合均匀后再加入到芯材中,而不是将纳米氧化铝直接加入到芯材料中,也不是在相变微胶囊的壁材固化前将其单独加入到体系中。
(3)利用本发明可以制备一系列壁材上镶嵌不同质量分数纳米氧化铝的微胶囊。通过在壁材中均匀镶嵌纳米氧化铝颗粒,可以显著提高相变微胶囊的热稳定性,还可在一定范围内对微胶囊的相变特征进行调节。
附图说明
图1所示为本发明中制备的微胶囊,以及纯石蜡和氧化铝的红外吸收光谱图。其中(a)是壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的红外光谱图,(b)是传统均质壁材的微胶囊的红外光谱图,(c)是纯石蜡的红外谱图,(d)是纯氧化铝的红外谱图。
图2所示的是根据实施例1制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的光学显微镜照片;
图3所示的是根据实施例1制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的扫描电子显微镜照片;
图4所示的是根据实施例2制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的扫描电子显微镜照片;
图5所示的是根据实施例3制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的扫描电子显微镜照片;
图6所示的是根据实施例3制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的电子背散射衍射照片;
图7所示的是根据实施例3制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的X射线能谱(EDX)图;
图8所示的是根据实施例4(对比例1)制备的一种均质壁材相变微胶囊的扫描电子显微镜照片;
图9所示的是根据实施例4(对比例1)制备的一种均质壁材相变微胶囊的X射线能谱(EDX)图;
图10所示的是根据实施例5(对比例2)制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的光学显微镜照片;
图11所示的是根据实施例5(对比例2)制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的扫描电子显微镜照片;
图12所示的是壁材中加入不同质量分数的氧化铝所得相变微胶囊的相变性能;
图13所示的是壁材中加入不同质量分数的氧化铝所得相变微胶囊的热失重曲线。
具体实施方式
下面将结合附图,通过实施例来详述本发明,但是不能认为这些实施例是对本发明的限制。
实施例1
(1)芯材的乳化
首先,将20.0g石蜡和10.0g苯乙烯-马来酸酐共聚物钠盐溶于200ml,80℃的去离子水中。待石蜡溶化后,用JHS-1/90型高速搅拌机以900rpm的搅拌速度将混合物乳化1h得到水包油乳液。再用15.0wt.%的醋酸水溶液将乳液的pH值调至4-5。
(2)壁材的合成
将3.0g三聚氰胺,10.0ml 37wt.%的甲醛溶液和20.0ml去离子水均匀混合于100ml三口圆底烧瓶中,用10.0wt.%的三乙醇胺水溶液调节溶液的pH值为8.5,将烧瓶放置于70℃的水浴锅中,以300rpm的搅拌速度搅拌30min,即得三聚氰胺-甲醛树脂预聚体溶液。再将一定量的预处理后的15.0g纳米氧化铝混合液加入到预聚体溶液中,继续搅拌10min。纳米氧化铝的预处理方法是:将10.0g纳米氧化铝粉末分散入盛有0.15g十二烷基苯磺酸钠,0.05g烷基酚聚氧乙烯醚和150ml去离子水的烧杯中,用高速分散机将氧化铝混合液以12000rpm的搅拌速度分散30min。
(3)壁材包覆芯材
最后,调节乳液的搅拌转速至600rpm,将预聚体溶液以约2ml/min的速度逐滴加入到乳液中开始进行原位聚合。当所有的预聚体溶液滴加完毕后,继续搅拌2h。用10wt%的三乙醇胺水溶液将乳液的pH值调节至9.0,结束聚合反应。趁热过滤,用约70℃的去离子水洗涤至滤液的pH为7。将所得的湿的滤饼在40℃恒温真空干燥箱中干燥24h,得到微胶囊粉末。
图1所示为本发明中制备的微胶囊,以及纯石蜡和氧化铝的红外吸收光谱图,对谱图进行分析可知该发明制备的微胶囊体系中已含有纳米氧化铝。图2和图3所示的分别是根据实施例1制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的光学显微镜照片和扫描电子显微镜照片。微胶囊呈现明显的球形结构,且分散性良好,表面较为光滑,致密,没有发现破损的微胶囊。平均粒径约为50μm。
实施例2
按照实施例1的方法进行制备和表征,不同之处在于纳米氧化铝的预处理方法:将10.0g纳米氧化铝粉末分散入盛有0.1g阿拉伯树胶,0.2g脂肪醇聚氧乙烯醚和150ml去离子水的烧杯中,用高速分散机将氧化铝混合液以9600rpm的搅拌速度分散30min,再超声分散10min。
制备出的壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的扫描电子显微镜照片如图4所示。微胶囊呈现明显的球形结构,且分散性良好,表面较为光滑,致密。平均粒径约为50m。
实施例3
按照实施例1的方法进行制备和表征,不同之处在于纳米氧化铝的预处理方法:将20.0g纳米氧化铝粉末分散入盛有2g聚乙二醇,1g聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物和150ml去离子水的烧杯中,用高速分散机将氧化铝混合液以9600rpm的搅拌速度分散30min,再超声分散10min。向预聚体溶液中加入35g处理后的纳米氧化铝分散液。
此外,与实施例1中壁材包覆壁材的制备过程不同之处在于:调节乳液的搅拌转速至300rpm,将预聚体溶液以约1.5ml/min的速度逐滴加入到乳液中开始原位聚合。滴加完毕后再将搅拌速度调至600rpm。
图5所示的是根据实施例3制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的扫描电子显微镜照片。微胶囊表面很粗糙,出现了破损的微胶囊。图6是根据实施例3制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的电子背散射衍射照片,图中相对于基体的亮点衬度即为原子序数高的区域(对应氧化铝),据此可以观察到纳米氧化铝的微胶囊壁材中的分布状态。
图7所示的是根据实施例3制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的X射线能谱(EDX)图,可以发现谱图中出现了Al元素的特征峰。
实施例4
按照实施例3的方法进行制备和表征,不同之处在于纳米氧化铝的预处理方法:将20.0g纳米氧化铝粉末分散入盛有0.1g聚乙烯醇,1g失水山梨醇聚氧乙烯醚单硬脂酸酯和150ml去离子水的烧杯中,用高速分散机将氧化铝混合液以9600rpm的搅拌速度分散30min,再超声分散10min。向预聚体溶液中加入5g处理后的纳米氧化铝分散液。
实施例5
按照实施例3的方法进行制备和表征,不同之处在于纳米氧化铝的预处理方法:将20.0g纳米氧化铝粉末分散入盛有2g聚丙烯酸,1g烷基酚聚氧乙烯醚和150ml去离子水的烧杯中,用高速分散机将氧化铝混合液以9600rpm的搅拌速度分散30min,再超声分散10min。向预聚体溶液中加入10g处理后的纳米氧化铝分散液。
实施例6
按照实施例3的方法进行制备和表征,不同之处在于纳米氧化铝的预处理方法:将20.0g纳米氧化铝粉末分散入盛有0.1g硅溶胶,0.2g脂肪醇聚氧乙烯醚和150ml去离子水的烧杯中,用高速分散机将氧化铝混合液以9600rpm的搅拌速度分散30min,再超声分散10min。向预聚体溶液中加入15g处理后的纳米氧化铝分散液。
实施例7
按照实施例3的方法进行制备和表征,不同之处在于纳米氧化铝的预处理方法:将20.0g纳米氧化铝粉末分散入盛有2g十六烷基三甲基溴化铵,0.2g失水山梨醇聚氧乙烯醚单硬脂酸酯和150ml去离子水的烧杯中,用高速分散机将氧化铝混合液以9600rpm的搅拌速度分散30min,再超声分散10min。向预聚体溶液中加入20g处理后的纳米氧化铝分散液。
实施例8
按照实施例3的方法进行制备和表征,不同之处在于纳米氧化铝的预处理方法:将20.0g纳米氧化铝粉末分散入盛有1g六偏磷酸钠,0.5g烷基酚聚氧乙烯醚和150ml去离子水的烧杯中,用高速分散机将氧化铝混合液以9600rpm的搅拌速度分散30min,再超声分散10min。向预聚体溶液中加入25g处理后的纳米氧化铝分散液。
实施例9
按照实施例3的方法进行制备和表征,不同之处在于纳米氧化铝的预处理方法:将20.0g纳米氧化铝粉末分散入盛有0.5g聚丙烯酸钠,0.5g聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物和150ml去离子水的烧杯中,用高速分散机将氧化铝混合液以9600rpm的搅拌速度分散30min,再超声分散10min。向预聚体溶液中加入30g处理后的纳米氧化铝分散液。
对比例1
(1)芯材的乳化
首先,将20.0g石蜡和10.0g苯乙烯-马来酸酐共聚物钠盐溶于200ml,80℃的去离子水中。待石蜡溶化后,用JHS-1/90型高速搅拌机以1200rpm的搅拌速度将混合物乳化1h得到水包油乳液。再用15.0wt.%的醋酸水溶液将乳液的pH值调至4-5。
(2)壁材的合成
将3.0g三聚氰胺,10.0ml37wt.%的甲醛溶液和20.0ml去离子水均匀混合于100ml三口圆底烧瓶中,用10.0wt.%的三乙醇胺水溶液调节溶液的pH 值为8.5-9.0,将烧瓶放置于70℃的水浴锅中,以300rpm的搅拌速度搅拌30min,即得三聚氰胺-甲醛树脂预聚体溶液。
(3)壁材包覆芯材
最后,调节乳液的搅拌转速至900rpm,将预聚体溶液加入到乳液中开始原位聚合。当所有的预聚体溶液滴加完毕后,继续搅拌2h。用10wt%的三乙醇胺水溶液将乳液的pH值调节至9.0,结束聚合反应。趁热过滤,用约70℃的去离子水洗涤至滤液的pH为7。将所得的湿的滤饼在40℃恒温真空干燥箱中干燥24h,得到微胶囊粉末。
根据对比例1制备的一种均质壁材相变微胶囊的扫描电子显微镜照片如图8所示,微胶囊呈现圆形的核壳结构,壁材表面较为光滑,粒径约为50微米。图9所示的是根据对比例1制备的一种传统均质壁材相变微胶囊的X射线能谱(EDX)图,可以发现均质壁材相变微胶囊的谱图中并未发现Al元素的特征峰。
对比例2
(1)芯材的乳化
首先,将20.0g石蜡和10.0g苯乙烯-马来酸酐共聚物钠盐溶于200ml,80℃的去离子水中。待石蜡溶化后,用JHS-1/90型高速搅拌机以1200rpm的搅拌速度将混合物乳化1h得到水包油乳液。再用15.0wt.%的醋酸水溶液将乳液的pH值调至4-5。
(2)壁材的合成
将3.0g三聚氰胺,10.0ml 37wt.%的甲醛溶液和20.0ml去离子水均匀混合于100ml三口圆底烧瓶中,用10.0wt.%的三乙醇胺水溶液调节溶液的pH值为8.5-9.0,将烧瓶放置于70℃的水浴锅中,以300rpm的搅拌速度搅拌30min,即得三聚氰胺-甲醛树脂预聚体溶液。再将1.0g氧化铝粉末加入到预聚体溶液中。
(3)壁材包覆芯材
最后,调节乳液的搅拌转速至900rpm,将预聚体溶液加入到乳液中开始原位聚合。当所有的预聚体溶液滴加完毕后,继续搅拌2h。用10wt%的三乙醇胺水溶液将乳液的pH值调节至9.0,结束聚合反应。趁热过滤,用约70℃的去离子水洗涤至滤液的pH为7。将所得的湿的滤饼在40℃恒温真空干燥箱中干燥24h,得到微胶囊粉末。
根据对比例2制备的一种壁材镶嵌纳米氧化铝的微胶囊的光学显微镜照片和扫描电子显微镜照片分别如图10和图11所示。微胶囊呈现圆形的核壳结构,粒径在10-50μm的范围,分散状况良好。
图12和图13分别是壁材中加入不同质量分数的氧化铝所得相变微胶囊的相变性能和热失重曲线。可见,通过在壁材中镶嵌纳米氧化铝颗粒可显著提高相变微胶囊的热稳定性,并可在一定范围内对相变微胶囊的相变特性进行调控。
Claims (3)
1.一种壁材镶嵌纳米氧化铝的相变微胶囊的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)将芯材石蜡乳化形成乳液
将熔点为48-50℃的石蜡和乳化剂苯乙烯-马来酸酐共聚物钠盐加入到60-90℃的去离子水中;待石蜡熔化后,以700-1000rpm的搅拌速度将混合物乳化0.5-2.5h得到乳液;再用10-30wt.%的醋酸水溶液将乳液的pH值调至3-5得到酸性乳液;
(2)制备分散有纳米氧化铝的成壁材料
将三聚氰胺、甲醛、去离子水按照3∶3.7∶26.3的质量比混合,用10-30wt.%的三乙醇胺水溶液调节溶液的pH值为8.0-9.0,然后在70-90℃的温度范围内,以300-900rpm的搅拌速度搅拌30-60min,即得三聚氰胺-甲醛树脂预聚体溶液;
将分散剂、润湿剂以及纳米氧化铝分散于去离子水中,得到纳米氧化铝混合液;将纳米氧化铝的混合液加入到三聚氰胺-甲醛预聚体溶液中,形成分散有纳米氧化铝的成壁材料;分散剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、阿拉伯树胶、硅溶胶、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和六偏磷酸钠中的一种或多种;润湿剂选自烷基酚聚氧乙烯醚、失水山梨醇聚氧乙烯醚单硬脂酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物中的一种或多种;其中各组成成分重量配比如下:
去离子水 100
纳米氧化铝 10-20
分散剂 0.1-2
润湿剂 0.2-1
(3)壁材包覆过程
调节酸性乳液的搅拌转速至200-600rpm,将分散有纳米氧化铝的成壁材料以1-5ml/min的速度添加到上述酸性乳液中反应2-4h,从而形成壁材包覆到芯材的表面;用10-30wt.%的三乙醇胺水溶液将pH值调节至9.0,结束聚合反应;趁热过滤,用70℃的去离子水洗涤至滤液的pH为7,干燥得到相变微胶囊粉末。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其中步骤(2)所述的纳米氧化铝混合液进一步用高速分散机以8000-12000rpm的搅拌速度分散20-60min制得。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其中所述的芯材石蜡和成壁材料的质量比为60∶40-80∶20。
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