CN102504766B - 一种相变储能微胶囊及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变储能微胶囊及其制备方法和应用，所述微胶囊的囊壳为聚乳酸材料，囊芯为相变材料；所述的相变材料选自石蜡、Na2SO4·10H2O、CaCl2·6H2O、Na2CO3·10H2O、新戊二醇、季戊四醇、硬脂酸中的任意一种。所述微胶囊的制备包括：将相变材料和聚乳酸材料溶于有机溶剂中作为油相，非离子型表面活性剂的水溶液作为水相；将油相加入水相中，制备胶体溶液；离心分离、洗涤、常压干燥至恒重。本发明所述的相变储能微胶囊可生物降解，绿色环保，价廉易得；所述的制备方法工艺简单、成本低、易于规模化实施。而且，应用所述的相变储能微胶囊制备的农膜具有储能效率高，物理机械性能优良，节能环保等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变储能材料及其制备方法和应用，具体说，是涉及一种相变储能微胶囊及其制备方法和应用。
背景技术
相变储能材料是提高能量利用率，并能自适应地吸收释放能量的智能材料，在环境温度调控方面显示出应用前景，随着相变材料研究的深入，相变储能材料也逐渐走向应用。相变储能技术在节能、环保方面有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景，对未来能源的供给、可持续发展起着重要的作用。
但当前相变储能材料的应用面临以下难题：1、材料的潜热不高，在不同的应用方面，对所要求相变温度下可供选择的相变潜热大的物质很少，给相变储能材料的实际应用带来很大困难；2、材料的加工性能仍需进一步提高，在工程应用上，相变储能材料的性能还无法和传统的工程塑料相比；3、对于相变复合材料而言，材料的导热性仍然不高，没有充分体现相变储能材料的特点，因此提高相变储能材料导热性尤为迫切；4、当前限制相变储能材料广泛应用的还有一个很重要的因素，那就是相变储能材料在长期反复循环使用下的稳定性以及相变储能材料同所用容器的腐蚀性问题。
微胶囊化相变储能材料是采用微胶囊技术将固一液相变材料用高分子材料或无机化合物以物理或化学方法包覆起来制成稳定的固体微粒，微胶囊化相变储能材料不仅可以有效地增大热传导面积，减少相变储能材料与外界环境的反应，而且可以在相变发生时控制材料体积的变化，改善相变储能材料在发生固液转变时的泄漏、相分离、体积膨胀、有腐蚀性、热稳定性差等问题。解决上述问题的关键是选择一种具有一定物理化学性能、可加工性能和较高热传导性的微胶囊壳材料。传统的微胶囊壳材料主要是一些聚合物材料，包括脲醛树脂、三聚氰胺缩甲醛树脂、聚氨酯、聚脲等材料，这些壳材料均具有抗压、抗冲击性能及抗裂性能较差，受气候变化影响较大，尤其是前两种材料在产品中经常会残留一定量的甲醛，会引起一定的环境污染和健康问题，容易造成安全隐患。并且这些聚合物材料均具有较低的热传导系数，严重阻碍了相变储能材料的应用。因此，就目前情况来说，如何提高微胶囊壳材料的热传导性能，并使其具有一定的力学稳定性，从而提高微胶囊相变储能材料在使用过程中的耐久性和热稳定性是目前研究的主要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种相变储能微胶囊及其制备方法和应用，以解决现有微胶囊相变储能材料存在储能效率低、力学性能差等问题，实现相变储能材料的应用和满足节能环保要求。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种相变储能微胶囊，由囊壳和囊芯组成，所述的囊壳为聚乳酸材料，所述的囊芯为相变材料；所述的相变材料选自石蜡、Na2SO4·10H2O、CaCl2·6H2O、Na2CO3·10H2O、新戊二醇、季戊四醇、硬脂酸中的任意一种。
作为优选方案，所述的相变储能微胶囊中，囊壳所占的质量百分比为20～40％；囊芯所占的质量百分比为60～80％。
作为优选方案，所述的聚乳酸材料为重均分子量为80,000～100,000的聚乳酸。
一种所述的相变储能微胶囊的制备方法，包括如下步骤：
a)将相变材料和聚乳酸材料溶于有机溶剂中作为油相；油相中：聚乳酸的质量浓度为1～6％，相变材料的质量浓度为3～5％；并以质量浓度为1～3％的非离子型表面活性剂的水溶液作为水相；
b)在20～40℃下将制得的油相加入水相中，以1500～2000转/分钟的转速乳化30～50分钟，获得乳液；其中：油相与水相的质量比为1∶3～1∶5；
c)降低转速至300～500转/分钟，于30～50℃继续搅拌2～4小时后，挥去溶剂，获得乳白色的胶体溶液；
d)对胶体溶液进行离心分离；对获得的沉淀进行洗涤、常压干燥至恒重，即得所述的相变储能微胶囊。
所述油相中的有机溶剂优选为二氯甲烷、丙酮或乙醇。
所述非离子型表面活性剂优选为聚乙烯醇、明胶或阿拉伯胶。
对胶体溶液进行离心分离的条件推荐为：在10,000～14,000转/分钟下离心分离0.5～1小时。
本发明所述的相变储能微胶囊的一种应用是用于制备相变储能农膜。
所述农膜是由本发明所述的相变储能微胶囊和聚乙烯母粒在开炼机中，于80～100℃混炼0.3～0.5小时而得。
所述的农膜中，本发明所述的相变储能微胶囊所占的质量百分比为10～20％，聚乙烯母粒所占的质量百分比为80～90％。
由于聚乳酸具有无毒无刺激性、优良的生物相容性，易降解、强度高，可塑性强，易加工成型等优点，因此，与现有技术相比，本发明所述的相变储能微胶囊具有无毒无刺激性、优良的生物相容性，强度高，可塑性强，易加工成型，可生物降解，绿色环保，价廉易得等优点；而且，所述的制备方法具有工艺简单、成本低、易于规模化实施等优点；应用所述的相变储能微胶囊制备的农膜具有储能效率高，物理机械性能优良，节能环保等优点。
附图说明
图1为实施例1制得的相变储能微胶囊的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明。
实施例1
将质量浓度为3％的石蜡和质量浓度为1％的重均分子量为80,000的聚乳酸溶于二氯甲烷中作为油相；并将含有质量浓度为1％的聚乙烯醇的水溶液作为水相；
在40℃下将上述油相滴加到水相中，油相与水相的质量比为1∶3；以1500转/分钟的转速乳化50分钟，获得乳液；
降低转速至300转/分钟，于50℃继续搅拌2小时后，挥尽二氯甲烷，即得乳白色的胶体溶液；
将胶体溶液在10,000转/分钟下离心分离1小时，对获得的沉淀用蒸馏水反复洗涤后，于常压干燥至恒重，即得所述的相变储能微胶囊。
图1为所制得的相变储能微胶囊的扫描电镜照片。由图1可见：所获得的相变储能材料为微胶囊结构，由囊壳和囊芯组成。
采用德国DSC-PT10型(德国Linseis公司)高精度差示扫描量热仪测试相变潜热。
经分析得知：本实施例所制得的相变储能微胶囊的平均粒径为1～3μm，相变潜热为62.7J/g；由于形成囊芯的相变材料-石蜡的相变潜热为100J/g，因此可知所制得的相变储能微胶囊中含相变材料的质量百分比为62.7％。
取10克本实施例所制得的相变储能微胶囊、90克聚乙烯母粒，在开炼机中于80℃进行混炼0.5小时，即获得相变储能农膜。
将获得的农膜制成所需试样，按GB/T1701-2001进行机械性能测试，同时测试相变潜热，测试数据见表1所示。
实施例2
将质量浓度为4％的季戊四醇和质量浓度为4％的重均分子量为90,000的聚乳酸溶于丙酮中作为油相；并将含有质量浓度为2％的明胶水溶液作为水相；
在35℃下将上述油相滴加到水相中，油相与水相的质量比为1∶4；以1800转/分钟的转速乳化40分钟，获得乳液；
降低转速至400转/分钟，于40℃继续搅拌3小时后，挥尽丙酮，即得乳白色的胶体溶液；
将胶体溶液在12,000转/分钟下离心分离0.8小时，对获得的沉淀用蒸馏水反复洗涤后，于常压干燥至恒重，即得所述的相变储能微胶囊。
由本实施例所制得的相变储能微胶囊的扫描电镜照片也可见：所获得的相变储能材料为微胶囊结构，由囊壳和囊芯组成。
采用德国DSC-PT10型(德国Linseis公司)高精度差示扫描量热仪测试相变潜热。
经分析得知：本实施例所制得的相变储能微胶囊的平均粒径为3～5μm，相变潜热为78.5J/g；由于形成囊芯的相变材料-季戊四醇的相变潜热为110J/g，因此可知所制得的相变储能微胶囊中含相变材料的质量百分比为71.4％。
取15克本实施例所制得的相变储能微胶囊、85克聚乙烯母粒，在开炼机中于90℃进行混炼0.4小时，即获得相变储能农膜。
将获得的农膜制成所需试样，按GB/T1701-2001进行机械性能测试，同时测试相变潜热，测试数据见表1所示。
实施例3
将质量浓度为5％的硬脂酸和质量浓度为6％的重均分子量为100,000的聚乳酸溶于乙醇中作为油相；将含有质量浓度为3％的阿拉伯胶水溶液作为水相；
在30℃下将上述油相滴加到水相中，油相与水相的质量比为1∶5；以2000转/分钟的转速乳化30分钟，获得乳液；
降低转速至500转/分钟，于30℃继续搅拌4小时后，挥尽乙醇，即得乳白色的胶体溶液；
将胶体溶液在14,000转/分钟下离心分离0.5小时，对获得的沉淀用蒸馏水反复洗涤后，于常压干燥至恒重，即得所述的相变储能微胶囊。
由本实施例所制得的相变储能微胶囊的扫描电镜照片也可见：所获得的相变储能材料为微胶囊结构，由囊壳和囊芯组成。
采用德国DSC-PT10型(德国Linseis公司)高精度差示扫描量热仪测试相变潜热。
经分析得知：本实施例所制得的相变储能微胶囊的平均粒径为5～10μm，相变潜热为80.5J/g；由于形成囊芯的相变材料-硬脂酸的相变潜热为120J/g，因此可知所制得的相变储能微胶囊中含相变材料的质量百分比为67.1％。
取20克本实施例所制得的相变储能微胶囊、80克聚乙烯母粒，在开炼机中于100℃进行混炼0.3小时，即获得相变储能农膜。
将获得的农膜制成所需试样，按GB/T1701-2001进行机械性能测试，同时测试相变潜热，测试数据见表1所示。
表1 实施例1～3获得的农膜性能数据
由表1可见：应用本发明所述的相变储能微胶囊制备的农膜的储能效率高，物理机械性能优良。
最后应当说明的是：以上实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种相变储能微胶囊，由囊壳和囊芯组成，其特征在于：所述的囊壳为聚乳酸材料，所述的囊芯为相变材料；所述的相变材料选自石蜡、新戊二醇、季戊四醇、硬脂酸中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的相变储能微胶囊，其特征在于：在所述的相变储能微胶囊中，囊壳所占的质量百分比为20～40%；囊芯所占的质量百分比为60～80%。
3.根据权利要求1所述的相变储能微胶囊，其特征在于：所述的聚乳酸材料为重均分子量为80,000～100,000的聚乳酸。
4.一种权利要求1所述的相变储能微胶囊的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将相变材料和聚乳酸材料溶于有机溶剂中作为油相；油相中：聚乳酸的质量浓度为1～6%，相变材料的质量浓度为3～5%；并以质量浓度为1～3%的非离子型表面活性剂的水溶液作为水相；
b)在20～40℃下将制得的油相加入水相中，以1500～2000转/分钟的转速乳化30～50分钟，获得乳液；其中：油相与水相的质量比为1∶3～1∶5；
c)降低转速至300～500转/分钟，于30～50℃继续搅拌2～4小时后，挥去溶剂，获得乳白色的胶体溶液；
d)对胶体溶液进行离心分离；对获得的沉淀进行洗涤、常压干燥至恒重，即得所述的相变储能微胶囊。
5.根据权利要求4所述的相变储能微胶囊的制备方法，其特征在于：所述油相中的有机溶剂为二氯甲烷、丙酮或乙醇。
6.根据权利要求4所述的相变储能微胶囊的制备方法，其特征在于：所述非离子型表面活性剂为聚乙烯醇、明胶或阿拉伯胶。
7.根据权利要求4所述的相变储能微胶囊的制备方法，其特征在于：对胶体溶液进行离心分离的条件是在10,000～14,000转/分钟下离心分离0.5～1小时。
8.一种应用权利要求1所述的相变储能微胶囊制备的相变储能农膜。
9.根据权利要求8所述的相变储能农膜，其特征在于：所述农膜是由所述的相变储能微胶囊和聚乙烯母粒在开炼机中，于80～100℃混炼0.3～0.5小时而得。
10.根据权利要求9所述的相变储能农膜，其特征在于：农膜中，所述的相变储能微胶囊所占的质量百分比为10～20%，聚乙烯母粒所占的质量百分比为80～90%。
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