CN102532767B

CN102532767B - 一种水基降温材料及其制备方法

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Publication number: CN102532767B
Application number: CN201110445154.8A
Authority: CN
Inventors: 邱东; 王晨; 关银燕
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: CN102532767A

Abstract

本发明公开了一种水基降温材料及其制备方法。该水基降温材料包括水凝胶和相变储能微胶囊，其中所述水凝胶包括水溶性聚合物。以所述材料为基准，水溶性聚合物为5％-30wt％，优选10％-25wt％，更优选10％-20wt％。所述相变微胶囊为1％-20wt％；优选5％-15wt％，更优选10％-15wt％。本发明还提供水基降温材料的制备方法。本发明的水基降温材料储热能力大，性能稳定，是一种无毒的，环境友好型材料，并且制备方法简单。

Description

一种水基降温材料及其制备方法

发明领域

本发明涉及一种水基降温材料，特别涉及包括聚丙烯酸类水凝胶和相变储能微胶囊复合的一种水基降温材料及其制备方法。

发明背景

目前降温材料在生活中的应用已经日趋广泛，比如医用降温贴、生活中的降温坐垫等，其原理基本上都是利用水比热较大的特点来吸热，属于显热材料。而水凝胶含水量可以很高，能防止水渗漏，是一种理想的水载体。使用水凝胶做降温材料使用非常方便，工艺简单，生产成本也比较低，所以目前市场上这类产品非常多。但像水这些传统的显热材料由于只靠稍大的热容来吸收热量并不能够达到快速降温的目的，而且实际应用中存在另一个问题是所使用的材料太多，体积太大，占用的空间较多，有效时间短等缺点。

相变储热材料则属于潜热材料，该种材料是通过在某一温度发生相变来吸收热量从而达到降温的目的。潜热与显热相比较不仅能够吸收热量，而且潜热的释放是在恒定温度下进行，因此还有保温作用。与常规的显热降温材料相比，相变降温材料体积可以显著减少，所以近年来潜热材料的应用日趋广泛。如随着电子设备向高速、小型、高功率等方向发展，集成电路的集成度、运算速度和功率迅速提高，导致集成块内产生的热量大幅度增加。如果集成块产生的热量不能及时扩散，将使集成块的温度急剧上升，影响其正常运行，严重的还可能造成集成块烧坏，所以体积小，潜热大变成了该种潜热材料最大的优势。

但是相变降温材料依然存在着不足。从现在应用普遍程度来看，相变降温材料主要使用的是固液相变降温材料和固固相变降温材料。固液相变材料主要优点是价廉易得，但是固液相变储热材料存在过冷和相分离现象，会导致储热性能恶化，易产生泄露、环境污染、腐蚀物品、封装容器价格高等缺点。固固相变材料在发生相变前后固体的晶格结构改变而放热吸热，与固液相变材料相比，固固相变材料能克服很多缺点，但其还存在着相变潜热较低，价格较高的问题。因此，存在寻求一种新型降温材料的需求，该降温材料可以将稳定的传统显热降温材料和高效的潜热降温材料的优点结合起来，并同时克服两者缺点。

石蜡是一种理想的潜热材料，其结晶-熔融过程可以释放-吸收大量热量，远高于水的比热。并且石蜡的相变温度在很大范围内可以调控，很容易找到在室温附近或稍高于室温的相变石蜡。通过微胶囊技术将石蜡包埋可以解决液体石蜡流动的问题，因此将石蜡相变储能微胶囊和水凝胶结合，可以大幅提高其吸收-释放热量的能力，并且稳定、高效、无毒、环保并且生产工艺简单。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水基降温材料及其制备方法。本发明的水基降温材料储热能力大，性能稳定，是一种无毒环保的材料，并且制备方法简单。为了实现本发明，本发明提供下述技术方案：

一种水基降温材料，其特征在于，所述材料包括水凝胶和相变储能微胶囊，其中所述水凝胶包括水溶性聚合物。

根据本发明，优选地，所述材料中，以所述材料的总重量为基准，水溶性聚合物为5％-30wt％，优选10％-25wt％，更优选10％-20wt％。所述相变微胶囊为1％-20wt％；优选5％-15wt％，更优选10％-15wt％。

根据本发明，所述水凝胶优选由水溶性单体和交联剂在溶剂(优选水)中在引发剂的作用下聚合交联形成。通过水溶性单体聚合形成的水凝胶作为水和微胶囊的载体。

优选地，所述水凝胶包括聚丙烯酰胺，聚丙烯酸，聚丙烯酸钠等，更优选为丙烯酰胺。

根据本发明，其特征在于，所述材料起始反应物进一步包括交联剂，引发剂和水。

根据本发明，优选地，所述交联剂1％-10wt％；优选2-8wt％，更优选3-6wt％。引发剂1％-10wt％，优选2％-8wt％，更优选3％-5wt％。

根据本发明，所述交联剂优选为水溶性交联剂，如N，N-亚甲基双丙烯酰胺或二甲基丙烯酸乙二醇酯，更优选N，N-亚甲基双丙烯酰胺。

根据本发明，所述引发剂优选为水溶性引发剂，选自过硫酸钾、过硫酸铵、以及水溶性偶氮类引发剂，如偶氮二异丁基眯盐酸盐，偶氮二异丁咪唑盐酸盐，偶氮二氰基戊酸，偶氮二异丙基咪唑啉等。更优选过硫酸钾。

根据本发明，所述相变微胶囊由内容物与壳层构成，所述内容物选自石蜡和脂肪酸类，从成本角度考虑，优选石蜡；所述壳层选自聚合物或二氧化硅，所述聚合物优选为聚苯乙烯或聚丙烯酰胺等，相变储能微胶囊用于提升其降温吸热性能，其相变过程为结晶-熔融过程，相变温度可以由内容物来调控。更优选地，所述相变微胶囊可为多种分别在不同温度发生固液相变的微胶囊及其混和物，如熔点为25℃、52℃或者更高熔点如104～110℃等的石蜡微胶囊，或者任意二种或几种的混合物。

根据本发明，优选所述水基降温材料为复合物。

本发明还提供一种水基降温材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将相变微胶囊在水中的分散体与水溶胶无色透明溶液混和，优选

进行超声分散均匀，形成均匀的水基分散体。

(2)将步骤(1)中均匀的水基分散体于一定温度下下磁力搅拌聚合4-48小时，获得形成一种凝胶状的水基降温材料。

根据本发明，所述温度为40-85℃，优选50-80℃，更优选60-70℃。

根据本发明，所述聚合时间优选为10-40小时，更优选15-36小时。

根据本发明，所述水溶胶溶液通过如下方法制备：将水溶性单体、交联剂以及引发剂混合并完全溶解在水中，形成无色透明溶液。

本发明制备的水基降温材料具有以下优点：

1.该水基降温材料原料简单，廉价易得，制备方法简单，可大规模生产。

2.该水基降温材料同时利用两种降温方式不同的材料同时降温，相较于任何其中一种单一材料的降温能力都有增大。

3.该水基降温材料对环境友好、无毒、对人体无危害。

4.该水基降温材料可重复使用。

5.本发明的水基降温材料能够降温达到无聚合物的水凝胶的45-50倍。

附图说明

图1为差式扫描量热仪测得的实施例1中的热流——温度曲线，即丙烯酰胺浓度为16.7％的不同相变微胶囊比例的降温材料的DSC图。

图2为差式扫描量热仪测得的实施例2中的热流——温度曲线，即丙烯酰胺浓度为10％的不同相变微胶囊比例的降温材料的DSC图。

图中出现的峰为相变微胶囊吸收热量发生结晶-熔融相变。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的保护范围不仅限于以上实施例。根据本发明公开的内容，本领域技术人员将认识到在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和范围的情况下，对以上所述实施例做出许多变化和修改都属于本发明的保护范围。

实施例1：

原料采用丙烯酰胺单体、一种相变微胶囊在水中的分散体、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾以及水。其中，丙烯酰胺16.7wt％，微胶囊为熔点为25℃的石蜡微胶囊，按照微胶囊的含量比例分别加入0wt％、2.5wt％、5wt％，N，N-亚甲基双丙烯酰胺加入丙烯酰胺单体的1wt％，过硫酸钾加入单体的5wt％，其余为水。将丙烯酰胺单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺以及过硫酸钾按照上述配方比例混合并完全溶解在水中，形成无色透明溶液。将相变微胶囊在水中的分散体按照上述配方比例加入后，超声分散均匀，形成均匀的水基分散体。将该均匀的水基分散体于50℃下磁力搅拌聚合10小时，即形成一种凝胶状的水基降温材料。

将上述制备的降温材料使用美国TA公司的差示扫描量热仪DSCQ2000测得材料的熔融曲线。从下往上依次是微胶囊含量为0wt％、2.5wt％、5wt％的材料熔融曲线，积分可得知微胶囊含量为2.5wt％、5wt％的降温材料在20-40℃之间比不含微胶囊的降温材料的熔融焓增大了24.32J g^-1，41.68Jg^-1。相变微胶囊的加入明显提高了该降温材料的吸热性能。

实施例2：

原料为丙烯酰胺单体、一种相变微胶囊在水中的分散体、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸铵以及水。其中，丙烯酰胺10wt％，微胶囊为熔点为25℃的石蜡微胶囊，按照微胶囊的含量比例分别加入0wt％、1wt％、5wt％，N，N-亚甲基双丙烯酰胺加入丙烯酰胺单体的1wt％，过硫酸铵加入丙烯酰胺单体的5wt％，其余为水。将丙烯酰胺单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺以及过硫酸铵按照上述配方比例混合并完全溶解在水中，形成无色透明溶液。将相变微胶囊在水中的分散体按照上述配方比例加入后，超声分散均匀，形成均匀的水基分散体。将该均匀的水基分散体于65℃下磁力搅拌聚合15小时，即形成一种凝胶状的水基降温材料。

将上述制备的降温材料使用美国TA公司的差示扫描量热仪DSCQ2000测得材料的熔融曲线。从下往上依次是微胶囊含量为0wt％，1wt％，5wt％的材料熔融曲线，积分可得知微胶囊含量为1wt％、5wt％的降温材料在20-40℃之间比不含微胶囊的降温材料的熔融焓增大了13.98J g^-1，30J g^-1。相变微胶囊的加入可以提高该降温材料的储热性能。

实施例3：

原料为丙烯酰胺单体、一种相变微胶囊在水中的分散体、交联剂甲基丙烯酸乙二醇酯、引发剂偶氮二异丁基眯盐酸盐以及水。其中，丙烯酰胺20wt％，微胶囊为熔点为52℃的石蜡微胶囊，按照微胶囊的含量比例分别加入0wt％、10wt％、20wt％，甲基丙烯酸乙二醇酯加入丙烯酰胺单体的2wt％，偶氮二异丁基眯盐酸盐加入丙烯酰胺单体的3wt％，其余为水。将丙烯酰胺单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺以及过硫酸钾按照上述配方比例混合并完全溶解在水中，形成无色透明溶液。将相变微胶囊在水中的分散体按照上述配方比例加入后，超声分散均匀，形成均匀的水基分散体。将该均匀的水基分散体于40℃下磁力搅拌聚合4小时，即形成一种凝胶状的水基降温材料。

实施例4：

原料为丙烯酸钠单体、一种相变微胶囊在水中的分散体、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾以及水。其中，丙烯酸钠20wt％，微胶囊为熔点为104℃的石蜡微胶囊，按照微胶囊的含量比例分别加入0wt％、5wt％、10wt％、15wt％、20wt％，N，N-亚甲基双丙烯酰胺加入丙烯酸钠单体的5wt％，过硫酸钾加入单体的3wt％，其余为水。将丙烯酸钠单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺以及过硫酸钾按照上述配方比例混合并完全溶解在水中，形成无色透明溶液。将相变微胶囊在水中的分散体按照上述配方比例加入后，超声分散均匀，形成均匀的水基分散体。将该均匀的水基分散体于75℃下磁力搅拌聚合36小时，即形成一种凝胶状的水基降温材料。

实施例5：

原料为丙烯酸钠单体、一种相变微胶囊在水中的分散体、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸铵以及水。其中，丙烯酸钠10wt％，微胶囊为熔点为110℃的石蜡微胶囊，按照微胶囊的含量比例分别加入0wt％、5wt％、10wt％、15wt％、20wt％，N，N-亚甲基双丙烯酰胺加入丙烯酸钠单体的10wt％，过硫酸铵加入单体的5wt％，其余为水。将丙烯酸钠单体、N，N-亚甲基双丙烯酰胺以及过硫酸铵按照上述配方比例混合并完全溶解在水中，形成无色透明溶液。将相变微胶囊在水中的分散体按照上述配方比例加入后，超声分散均匀，形成均匀的水基分散体。将该均匀的水基分散体于85℃下磁力搅拌聚合48小时，即形成一种凝胶状的水基降温材料。

Claims

1.一种水基降温材料，其特征在于，所述材料包括水凝胶和相变储能微胶囊，其中所述水凝胶包括水溶性聚合物，所述水凝胶起始反应物包括水溶性单体，交联剂，引发剂和水。

2.根据权利要求1的材料，其特征在于，所述水凝胶由水溶性单体和交联剂在水中在引发剂的作用下聚合交联形成。

3.根据权利要求2的材料，其特征在于，以所述材料为基准，水溶性聚合物为5％-30wt％，所述相变微胶囊为1％-20wt％。

4.根据权利要求3的材料，其特征在于，以所述材料为基准，水溶性聚合物为10％-25wt％，所述相变微胶囊为5％-15wt％。

5.根据权利要求4的材料，其特征在于，以所述材料为基准，水溶性聚合物为10％-20wt％，所述相变微胶囊为10％-15wt％。

6.根据权利要求1或2的材料，其特征在于，所述水凝胶包括聚丙烯酰胺，聚丙烯酸，聚丙烯酸钠。

7.根据权利要求6的材料，其特征在于，所述水凝胶包括聚丙烯酰胺。

8.根据权利要求1-5任一项的材料，其特征在于，所述交联剂为1％-10wt％；所述引发剂为1％-10wt％。

9.根据权利要求8的材料，其特征在于，所述交联剂为2-8wt％，所述引发剂2％-8wt％。

10.根据权利要求9的材料，其特征在于，所述交联剂为3-6wt％，所述引发剂为3％-5wt％。

11.根据权利要求8的材料，其特征在于，所述交联剂选自N，N-亚甲基双丙烯酰胺或二甲基丙烯酸乙二醇酯；所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、以及水溶性偶氮类引发剂。

12.根据权利要求8的材料，其特征在于，所述水溶性偶氮类引发剂选自偶氮二异丁基眯盐酸盐，偶氮二异丁咪唑盐酸盐，偶氮二氰基戊酸，偶氮二异丙基咪唑啉。

13.根据权利要求1-5任一项的材料，其特征在于，所述相变微胶囊由内容物与壳层构成。

14.根据权利要求13的材料，其特征在于，所述内容物选自石蜡，所述壳层选自聚合物或二氧化硅。

15.根据权利要求13或14的材料，其特征在于，所述相变微胶囊为多种分别在不同温度发生固液相变的微胶囊及其混和物。

16.根据权利要求15的材料，其特征在于，所述相变微胶囊选自熔点为25℃、52℃或者104～110℃的石蜡微胶囊，或者任意二种或几种的混合物。

17.根据权利要求1-5任一项的材料，其特征在于，所述水基降温材料为复合物。

18.根据权利要求1-17任一项所述的水基降温材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将相变微胶囊在水中的分散体与水溶胶无色透明溶液混和，形成均匀的水基分散体；

19.根据权利要求18的方法，其特征在于，步骤(1)中将相变微胶囊在水中的分散体与水溶胶无色透明溶液进行超声分散均匀。

20.根据权利要求18或19的方法，其特征在于，将水溶性单体、交联剂以及引发剂按照权利要求1-17任一项的比例混合并完全溶解在水中，形成无色透明溶液。