CN102477285A - 微胶囊包覆多元组分无机相变材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微胶囊包覆多元组分无机相变材料，它采用聚甲基丙烯酸甲酯为壁材，多组分的结晶硫酸钠基相变材料为芯材，将壁材在0～4℃温度下搅拌制成壁材溶液与芯材、去离子水和乳化剂制成的芯材溶液混合进行乳化得到乳液并滴加去离子水中，搅拌成白色粘稠乳液，冰浴下放置使乙酸乙酯完全挥发，得到含微胶囊的乳液经石油醚洗涤、分离，冷冻干燥，得到微胶囊包覆多元组分无机相变材料产品，该产品具有无毒无腐蚀性，相变温度在11～20℃，相变焓为62～65kJ/kg，热稳定性良好，且制备方法简单，原料易得，成本低的优点及效果。

Description

微胶囊包覆多元组分无机相变材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微胶囊包覆多元组分无机相变材料，采用聚甲基丙烯酸甲酯为壁材，多组分的结晶硫酸钠基相变材料为芯材，属无机相变材料。

本发明还涉及该多元组分无机相变材料的制备方法。

背景技术

相变材料的微胶囊化，可以在聚合物的微小胶囊内发生相变，通过吸收释放热量来达到调温或蓄能效果，解决了相变材料在使用过程中存在的难储存、传热速率慢等问题，同时也可增大相变材料的比表面积，提高传热效果。

结晶硫酸钠(Na₂SO₄·10H₂O)的熔点为32.4℃，溶解潜热250.8J/g，与其它贮热材料相比有相变温度不高、潜热值较大两个优点，可作为主贮热剂使用。硫酸钠类贮热剂不仅贮热量大，而且成本较低，温度适宜蓄热密度大，导热系数较大。Na₂SO₄·10H₂O用于航天服用相变材料，其相变温度（32℃）过高，因此，首先以各可溶性无机盐作为熔点控制剂，降低其相变温度，同时尽量获得最大的相变焓值，并用聚甲基丙烯酸甲脂包覆，形成微胶囊相变材料。

Na₂SO₄·10H₂O与大多数无机水合盐一样存在两个严重的问题：一是过冷现象，二是相分离。为此在十水硫酸钠相变材料中，加入了硼酸、增稠剂CMC等添加剂提高材料整体性能。目前，Na₂SO₄·10H₂O其大多数的应用都是根据其熔点而投入适当的场合，并没有提及降低相变温度的问题。

微胶囊包覆相变材料可以改善相变材料的加工性能，强化相变材料的传热性能，提高相变材料的稳定性等优点，但利用微胶囊包覆多组分的无机相变材料在实际操作过程中，存在包覆效果差，相变焓值急剧下降，很难在实际中应用等问题。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述己有技术的缺点与不足而提供一种微胶囊包覆多元组分无机相变材料的微胶囊相变材料，在低温下制备的相变潜热大、成本低廉、无毒无腐蚀性、稳定性较好且相变温度低，制备方法简单，原料易得，可满足一种防护服用冷却相变材料的要求。

本发明还提供该多元组分无机相变材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种微胶囊包覆多元组分无机相变材料，它由壁材和芯材组成，它采用聚甲基丙烯酸甲酯为壁材，多组分的结晶硫酸钠基相变材料为芯材，壁材与芯材的重量配比为1：2.5～7.5，直径为0.1～2000μm，相变焓为62～65 kJ/kg，相变温度在11～20℃。

所述的多元组分无机相变材料，其特征在于所述多组分的结晶硫酸钠基相变材料的芯材是由下述重量配比的原料组成：硫酸铵2～6份、氯化铵或氯化钾8～18份、硼酸0.5～5份、硼砂0.5～5份、六偏磷酸钠0～2份、羧甲基纤维素0.5～6份和 结晶硫酸钠50～90份 。

所述微胶囊包覆多元组分无机相变材料的制备方法，它按下述步骤进行：

（a）将壁材聚甲基丙烯酸甲酯加入乙酸乙酯中，聚甲基丙烯酸甲酯与乙酸乙酯的重量比为1：2～10，在0～4℃温度下搅拌至聚甲基丙烯酸甲酯溶解，制成壁材聚甲基丙烯酸甲酯溶液；

（b）再将聚甲基丙烯酸甲酯与芯材的重量配比为1：2.5～7.5的芯材加入0～4℃的去离子水中，芯材和去离子水的重量比为1：1～5,搅拌均匀使其完全溶于水，并加入芯材重量25～75％的乳化剂Span80，制成芯材溶液；

（c）将a）项的壁材溶液与b）项的芯材溶液混合，在10～1000转每分速度下进行乳化5～30min，得到乳液；

（d）再将c）项的乳液滴加到0～4℃的去离子水中，乳液和去离子水的重量比为1：3～5，搅拌成白色粘稠乳液，冰浴下放置5～6小时，使乙酸乙酯完全挥发，得到含微胶囊的乳液；

（e）最后将d）项的含微胶囊的乳液，用2～5倍于含微胶囊乳液重量的石油醚洗涤后，经离心分离，所得沉淀物冷冻干燥，得到微胶囊包覆多元组分无机相变材料产品。

相变材料主要利用其在相变过程中吸收或放出的热能，在其物相变化过程中与外界环境进行能量交换，即从外界环境吸收热量或向外界环境放出热量，从而达到能量利用和控制环境温度的目的。微胶囊相变材料是应用微胶囊技术在固液相变材料表面包覆一层性能稳定的高分子膜而构成的具有核壳结构的复合材料。本发明的芯材本身就是无机相变材料，为有效控制相转变时材料的体积变化，提高了相变材料的使用效率，同时微胶囊相变材料便于封装，可以降低相变材料的毒性，绿色环保，所以将无机相变材料在低温制作成微胶囊。

本发明中所用的原料选用聚甲基丙烯酸甲酯壁材（PMMA），其分子式: -[CH₃CH₂COOCH₃]-n。

芯材为硫酸钠基相变材料，是由硫酸铵、 氯化铵或氯化钠、 硼酸、 硼砂、 六偏磷酸钠、 氯化钾、 羧甲基纤维素、 结晶硫酸钠组成，其中结晶硫酸钠，其分子式：Na₂SO₄·10H₂O，；羧甲基纤维素钠，其分子式：C₆H₇O₂(OH)₂OCH₂COONa；硼砂，其分子式：Na₂B₄O₇；硼酸，其分子式：H₃BO₃；氯化铵，其分子式：NH₄Cl;氯化钾，其分子式：KCl；六偏磷酸钠, 其分子式:(NaPO₃)₆; 硫酸铵，其分子式为(NH4)₂SO₄；乳化剂Span80, 其分子式：C₂₄H₄₄O₆。其中硫酸铵、氯化铵和氯化钾可配合使用控制体系相变温度提高相变焓；硼酸可提高成核速率与成核度降低过冷度；硼砂用于调节PH值；六偏磷酸钠调节晶型，提高相变焓；羧甲基纤维素增加稠度，有效控制分层；结晶硫酸钠为主相变剂。

壁材聚甲基丙烯酸甲酯，包覆芯材物质，在芯材表面成膜，防止芯材在使用过程中泄露等。芯材为多组分的结晶硫酸钠基相变材料，其中的结晶硫酸钠是主相变材料，在其熔点附近发生相变，提供相变焓。芯材中的其他组分主要为调节相变材料的控制材料的熔点、改善材料的形态。 

本发明所提供的硫酸钠基相变材料，是由硫酸铵、 氯化铵或氯化钾、 硼酸、 硼砂、 六偏磷酸钠、羧甲基纤维素，结晶硫酸钠等制成。主要以Span80为乳化剂，Na₂SO₄·10H₂O基相变材料为芯材，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为壁材，在冰浴条件下采用溶剂挥发法合成硫酸钠基微胶囊相变材料，通过不同芯材壁材重量比，不同乳化机转速，不同乳化剂浓度找到合成微胶囊的最佳条件。

由于采取上述技术方案使本发明技术与已有技术相比具有该相变材料无毒无腐蚀性，采用最佳条件合成该微胶囊相变材料相变温度在11～20℃，相变焓为62～65kJ/kg，热稳定性良好；且制备方法简单，原料易得，成本低的优点及效果，可满足一种防护服用冷却相变材料的要求。

具体实施方式   

实施例1

取硫酸铵2g、氯化铵18g、硼酸5g、硼砂0.5g、羧甲基纤维素0.5g和 结晶硫酸钠50g 混合，制备多组分的结晶硫酸钠基相变材料的芯材，备用，

将2g聚甲基丙烯酸甲酯与4g乙酸乙酯在0～4℃下搅拌至聚甲基丙烯酸甲酯溶解，制成壁材溶液，再取上述制备的多组分的结晶硫酸钠基相变材料5g加入0～4℃的5g去离子水中,搅拌均匀使其完全溶于水，并加入1.25g乳化剂Span80制成芯材溶液，将上述壁材溶液与芯材溶液混合，在10转每分速度下进行乳化30min，得到的乳液滴加到0～4℃的51.75g 去离子水中，搅拌成白色粘稠乳液，冰浴下放置6小时，使乙酸乙酯完全挥发，得到含微胶囊的乳液用345g石油醚洗涤后，经离心分离，所得沉淀物冷冻干燥，得到微胶囊包覆多元组分无机相变材料产品。

产品直径为0.1～100μm，相变焓为62 kJ/kg，相变温度在20℃。

实施例2

取硫酸铵4g、氯化铵12g、硼酸3g、硼砂3g、六偏磷酸钠1g、羧甲基纤维素5g和 结晶硫酸钠70g ，制备多组分的结晶硫酸钠基相变材料的芯材，备用，

将2g聚甲基丙烯酸甲酯与8g乙酸乙酯在0～4℃下搅拌至聚甲基丙烯酸甲酯溶解，制成壁材溶液，再取上述制备的多组分的结晶硫酸钠基相变材料10g加入0～4℃的30g去离子水中,搅拌均匀使其完全溶于水，并加入5g乳化剂Span80制成芯材溶液，将上述壁材溶液与芯材溶液混合，在100转每分速度下进行乳化15min，得到乳液滴加到0～4℃的220g去离子水中，搅拌成白色粘稠乳液，冰浴下放置5小时，使乙酸乙酯完全挥发，得到含微胶囊的乳液用1100g石油醚洗涤后，经离心分离，所得沉淀物冷冻干燥，得到微胶囊包覆多元组分无机相变材料产品，产品直径为0.5～1000μm，相变焓为64 kJ/kg，相变温度在17℃。

实施例3

取硫酸铵6g、氯化钾8g、硼酸0.5g、硼砂5g、六偏磷酸钠2g、羧甲基纤维素6g和 结晶硫酸钠90g，制备多组分的结晶硫酸钠基相变材料的芯材，备用，

将2g聚甲基丙烯酸甲酯与12g乙酸乙酯在0～4℃下搅拌至聚甲基丙烯酸甲酯溶解，制成壁材溶液，再取上述制备的多组分的结晶硫酸钠基相变材料12g加入0-4℃的48g去离子水中,搅拌均匀使其完全溶于水，并加入7.6g乳化剂Span80制成芯材溶液，将上述壁材溶液与芯材溶液混合在500转每分速度下进行乳化10min，得到的乳液滴加到0～4℃的367.2g去离子水中，搅拌成白色粘稠乳液，冰浴下放置6小时，使乙酸乙酯完全挥发，得到含微胶囊的乳液用1346.4g石油醚洗涤后，经离心分离，所得沉淀物冷冻干燥，得到微胶囊包覆多元组分无机相变材料产品，产品直径为0.8～1500μm，相变焓为63 kJ/kg，相变温度在14℃。

实施例4

将2g聚甲基丙烯酸甲酯与20g乙酸乙酯在0～4℃下搅拌至聚甲基丙烯酸甲酯溶解，制成壁材溶液a，再取实施例2制备的多组分的结晶硫酸钠基相变材料15g加入0～4℃的75g去离子水中,搅拌均匀使其完全溶于水，并加入11.25g乳化剂Span80制成芯材溶液，将上述壁材溶液与芯材溶液混合，在1000转每分速度下进行乳化5min，得到的乳液滴加到0～4℃的616.25 g去离子水中，搅拌成白色粘稠乳液，冰浴下放置6小时，使乙酸乙酯完全挥发，得到含微胶囊的乳液用1479g石油醚洗涤后，经离心分离，所得沉淀物冷冻干燥，得到微胶囊包覆多元组分无机相变材料产品，产品直径为1.2～2000μm，相变焓为65 kJ/kg，相变温度在11℃。

Claims (3)

1.一种微胶囊包覆多元组分无机相变材料，它由壁材和芯材组成，其特征在于它采用聚甲基丙烯酸甲酯为壁材，多组分的结晶硫酸钠基相变材料为芯材，壁材与芯材的重量配比为1：2.5～7.5，直径为0.1～2000μm，相变焓为62～65 kJ/kg，相变温度在11～20℃。

2.根据权利要求1所述的多元组分无机相变材料，其特征在于所述多组分的结晶硫酸钠基相变材料的芯材是由下述重量配比的原料组成：硫酸铵2～6份、氯化铵或氯化钾8～18份、硼酸0.5～5份、硼砂0.5～5份、六偏磷酸钠0～2份、羧甲基纤维素0.5～6份和 结晶硫酸钠50～90份 。

3.如权利要求1所述微胶囊包覆多元组分无机相变材料的制备方法，其特征在于它按下述步骤进行：

（a）将壁材聚甲基丙烯酸甲酯加入乙酸乙酯中，聚甲基丙烯酸甲酯与乙酸乙酯的重量比为1：2～10，在0～4℃温度下搅拌至聚甲基丙烯酸甲酯溶解，制成壁材聚甲基丙烯酸甲酯溶液；

（b）再将聚甲基丙烯酸甲酯与芯材的重量配比为1：2.5～7.5的芯材加入0～4℃的去离子水中，芯材和去离子水的重量比为1：1～5,搅拌均匀使其完全溶于水，并加入芯材重量25～75％的乳化剂Span80，制成芯材溶液；

（c）将a）项的壁材溶液与b）项的芯材溶液混合，在10～1000转每分速度下进行乳化5～30min，得到乳液；

（d）再将c）项的乳液滴加到0～4℃的去离子水中，乳液和去离子水的重量比为1：3～5，搅拌成白色粘稠乳液，冰浴下放置5～6小时，使乙酸乙酯完全挥发，得到含微胶囊的乳液；

（e）最后将d）项的含微胶囊的乳液，用2～5倍于含微胶囊乳液重量的石油醚洗涤后，经离心分离，所得沉淀物冷冻干燥，得到微胶囊包覆多元组分无机相变材料产品。