CN102952523A - 具有固固相转变芯材的相变微胶囊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有固固相转变芯材的相变微胶囊及其制备方法。本发明的制备过程是采用先包覆后原位聚合的方法。以主链上接枝有大量长链烷基侧链的梳型高分子如聚丙烯酸酯作为相变微胶囊芯材，并利用耐热性的高分子材料作为囊壁将上述芯材包裹起来制备相变微胶囊材料。所述的相变微胶囊材料是由具有固固相转变特性的侧链包含12-20个碳原子的烷基链的聚丙烯酸酯的相变芯材，与耐热性良好的蜜胺树脂壁材构成；其中所述聚丙烯酸酯在所述的相变微胶囊中的含量为5wt％-80wt％。本发明的相变微胶囊的尺寸可控性好，并呈现单分散性，其耐热性能要好于传统的以小分子长链烷烃为芯材的相变微胶囊，更能满足一些对耐热性要求较高的领域的应用。

Description

具有固固相转变芯材的相变微胶囊及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有固固相转变芯材的相变微胶囊及其制备方法

背景技术

随着世界能源问题以及环境问题的日趋严重，节能和环保已经成为能源应用领域的重要课题。为了提高能源的利用效率，利用相变材料的相变潜热进行能量存储和再利用的节能技术研究被日益重视。相变微胶囊由于能够在相变温度范围吸收、储存、散发大量的潜热，达到控制周围环境温度和节能的目的，因而受到了越来越广泛的关注，在制冷空调、建筑节能、太阳能利用、热能回收等领域有广泛的应用前景。

相变微胶囊一般可分为两个部分，固体囊壳和相转变内核，相转变内核被包裹于固体囊壳内。目前关于相变微胶囊的制备以及应用国内外已有一些报道。制备相变微胶囊最常用的方法是界面逐步聚合。邢建伟等人(CN1688387A)利用界面聚合法，并采用聚苯乙烯磺酸钠或高分子量的聚丙烯酸或其衍生物作体系稳定剂，制备了微胶囊化的烷烃乳液。但是此法制备的微胶囊壳壁较薄，因此一些新的制备微胶囊的方法也被开发。顾红艳等人(CN1693312A)利用油溶性引发剂，利用细乳液技术，结合可逆加成——断链链转移(RAFT技术)活性自由基技术，制备出形态结构精确可控的相变微胶囊。而在微胶囊的应用方面，早在1988年就有关于将相变材料包裹在微球中，然后纺丝成织物的专利(U.S.Patents4756958)。

然而到目前为止，相变微胶囊的相变芯材多数为具有固液转变性能的相变材料，而采用具有固固相转变性能的芯材制备相变微胶囊的方法还从未见报道。而采用此法制备的相变微胶囊与传统技术相比，具有以下优点及特性：有效地将固固相转变材料——梳型高分子与微胶囊技术相结合，制备的相变微胶囊，尺寸可控并具有单分散性，其耐热性能要好于传统的以小分子长链烷烃为芯材的相变微胶囊，更能满足一些对耐热性要求较高的领域的应用；而与纯粹的固固相转变材料相比，微胶囊囊壁能够有效地提高相变材料在高温高强度的加工过程中稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料。

本发明的再一目的是提供一种具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料的制备方法。

本发明的具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料是由具有固固相转变特性的侧链包含12-20个碳原子的烷基链的聚丙烯酸酯的相变芯材，与耐热性良好的蜜胺树脂壁材构成；其中所述的聚丙烯酸酯在所述的相变微胶囊中的含量为5wt％-80wt％。

所述的相变微胶囊的尺寸为1μm-10μm。

所述的聚丙烯酸酯可以选自聚丙烯酸十二酯、聚丙烯酸十四酯、聚丙烯酸十六酯、聚丙烯酸十八酯、聚丙烯酸二十酯等所组成的组中的至少一种。

本发明的具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料的制备方法：将催化剂预先混入相变芯材聚合物单体中制成单体溶液，然而通过微胶囊技术将单体溶液包覆在蜜胺树脂构成的胶囊中，同时在胶囊中进行单体的原位聚合并最终形成聚合芯材。其步骤为：

1)单体溶液的准备：取0.1-3.6g侧链包含12-20个碳原子的烷基链的丙烯酸酯，并将温度升至所述的丙烯酸酯的熔点以上，加入占所述的丙烯酸酯与催化剂总量0.2wt％-0.5wt％的催化剂并搅拌，使所述的丙烯酸酯充分溶解，得到丙烯酸酯单体的溶液；

2)相变芯材乳化液的制备：配制50ml质量浓度为0.5％-1％的非离子乳化剂水溶液；在搅拌的同时(优选搅拌速度为200rpm-1000rpm)将非离子乳化剂水溶液的温度由室温逐渐升温至温度为50-70℃；将步骤1)得到的丙烯酸酯单体的溶液全部加入至该非离子乳化剂水溶液中，搅拌均匀，得到相变芯材乳化液；

3)蜜胺树脂壁材预聚体溶液的合成：将0.3-0.6g三聚氰胺，3-6ml质量浓度为37％的甲醛和5-8ml的去离子水混合得到混合溶液，用无机碱性溶液调节混合溶液的pH值至9-11(例如用碳酸钠溶液进行调节pH值)，并将混合溶液的温度由室温升至温度为60-80℃，待混合溶液体系变透明后得到蜜胺树脂壁材预聚体溶液；

4)相变微胶囊的制备：在搅拌(优选搅拌速度为200rpm-400rpm)及反应体系温度为60-80℃的条件下，将步骤3)制备得到的蜜胺树脂壁材预聚体溶液(一般加入10ml-20ml)加入到步骤2)制备得到的相变芯材乳化液中得到乳液体系；用有机酸溶液慢慢调节乳液体系的pH值为3-5.5，乳液体系由澄清变为乳白；在反应0.5-3小时后，控制乳液体系的温度在60-90℃之间进一步反应(一般反应时间为1-24小时)；反应产物经洗涤、过滤和干燥后即得到所述的相变微胶囊；其中聚丙烯酸酯在所述的相变微胶囊中的含量为5wt％-80wt％。

所述的丙烯酸酯可以选自丙烯酸十二酯、丙烯酸十四酯、丙烯酸十六酯、丙烯酸十八酯、丙烯酸二十酯等所组成的组中的至少一种。

所述的有机酸溶液是柠檬酸溶液等。

所述的催化剂可以是偶氮二异丁腈(AIBN)或过氧化苯甲酰(BPO)。

所述的非离子乳化剂可以是Triton X-100(曲拉通X-100)或Tween 60(吐温60)。

本发明的具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料的制备过程是采用先包覆后原位聚合的方法。以主链上接枝有大量长链烷基侧链的梳型高分子如聚丙烯酸烷基酯作为相变微胶囊芯材，并利用耐热性高分子材料作为囊壁将上述芯材包裹起来制备相变微胶囊材料。通过该方法得到的相变微胶囊，其相变芯材为具有固固相转变特性的聚丙烯酸酯，相变微胶囊的尺寸可控性好，并呈现单分散性。

本发明的具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料的制备方法简单，原料易得，容易放大和实现工业化；此外本发明的方法与传统的相变材料的制备技术相比具有突出优点和特性：有效地将固固相转变材料——梳型高分子与微胶囊技术相结合，本发明制备的相变微胶囊，尺寸可控并具有单分散性，其耐热性能要好于传统的以小分子长链烷烃为芯材的相变微胶囊，更能满足一些对耐热性要求较高的领域的应用(如熔融纺丝等)；而与纯粹的固固相转变材料相比，本发明的相变微胶囊的囊壁能够有效地提高相变材料在高温高强度的加工过程中稳定性。

附图说明

图1.本发明实施例1的相变微胶囊的SEM照片。

具体实施方式

实施例1

1)单体溶液的准备：取1g丙烯酸十八酯，并将温度升至其熔点以上，加入占所述丙烯酸十八酯与AIBN总量0.2wt％的AIBN并搅拌，使所述丙烯酸十八酯充分溶解，得到丙烯酸十八酯单体的溶液；

2)相变芯材乳化液的制备：将0.25g曲拉通-100(Triton-X100)和50ml去离子水加入到150ml的三口烧瓶中；在搅拌速度为200rpm-400rpm的情况下将上述乳化剂水溶液的温度由室温逐渐升温至温度为70℃；将步骤1)得到的丙烯酸十八酯单体的溶液全部加入至该乳化剂水溶液中，搅拌均匀，得到相变芯材乳化液；

3)蜜胺树脂壁材预聚体溶液的合成：将0.3g三聚氰胺，3ml质量浓度为37％的甲醛和5ml的去离子水混合得到混合溶液，用碳酸钠溶液调节混合溶液的pH值至10-11，并将混合溶液的温度由室温升至温度为80℃，待混合溶液体系变透明后得到蜜胺树脂壁材预聚体溶液；

4)相变微胶囊的制备：在搅拌速度为400rpm及反应温度为80℃的条件下，将步骤3)制备得到的蜜胺树脂壁材预聚体溶液加入到步骤2)制备得到的相变芯材乳化液中得到乳液体系；用柠檬酸溶液慢慢调节乳液体系的pH值为3-5.5，乳液体系由澄清变为乳白；在反应3小时后，控制乳液体系的温度在80℃进一步反应24小时；反应产物经洗涤，过滤和干燥后得到所述的相变微胶囊；其中聚丙烯酸十八酯在所述的相变微胶囊中的含量为52wt％，相变微胶囊的尺寸为3-5μm。相变微胶囊的SEM照片如图1所示。

实施例2

1)单体溶液的准备：取3.6g丙烯酸十二酯，并将温度升至其熔点以上，加入占所述丙烯酸十二酯与AIBN总量0.5wt％的AIBN并搅拌，使所述丙烯酸十二酯充分溶解，得到丙烯酸十二酯单体的溶液；

2)相变芯材乳化液的制备：将0.25g曲拉通-100(Triton-X100)和50ml去离子水加入到150ml的三口烧瓶中；在搅拌速度为200rpm-400rpm的同时将上述乳化剂水溶液的温度由室温逐渐升温至温度为70℃；将步骤1)得到的丙烯酸十二酯单体的溶液全部加入至该乳化剂水溶液中，搅拌均匀，得到相变芯材乳化液；

3)蜜胺树脂壁材预聚体溶液的合成：将0.3g三聚氰胺，3ml质量浓度为37％的甲醛和5ml的去离子水混合得到混合溶液，用碳酸钠溶液调节混合溶液的pH值至9-10，并将混合溶液的温度由室温升至温度为60℃，待混合溶液体系变透明后得到蜜胺树脂壁材预聚体溶液；

4)相变微胶囊的制备：在搅拌速度为400rpm及反应温度为80℃的条件下，将步骤3)制备得到的蜜胺树脂壁材预聚体溶液加入到步骤2)制备得到的相变芯材乳化液中得到乳液体系；用柠檬酸溶液慢慢调节乳液体系的pH值为3-5.5，乳液体系由澄清变为乳白；在反应3小时后，控制乳液体系的温度在80℃进一步反应24小时；反应产物经洗涤，过滤和干燥后得到所述的相变微胶囊；其中聚丙烯酸十二酯在所述的相变微胶囊中的含量为80wt％，相变微胶囊的尺寸为8-10μm。

实施例3

1)单体溶液的准备：取0.1g丙烯酸十六酯，并将温度升至其熔点以上，加入占所述丙烯酸十六酯与AIBN总量0.2wt％的AIBN并搅拌，使所述丙烯酸十六酯充分溶解，得到丙烯酸十六酯单体的溶液；

2)相变芯材乳化液的制备：将0.25g吐温Tween 60和50ml去离子水加入到150ml的三口烧瓶中；在搅拌速度为800rpm-1000rpm的同时将上述乳化剂水溶液的温度由室温逐渐升温至温度为70℃；将步骤1)得到的丙烯酸十六酯单体的溶液全部加入至该乳化剂水溶液中，搅拌均匀，得到相变芯材乳化液；

3)蜜胺树脂壁材预聚体溶液的合成：将0.3g三聚氰胺，3ml质量浓度为37％的甲醛和5ml的去离子水混合得到混合溶液，用碳酸钠溶液调节混合溶液的pH值至10-11，并将混合溶液的温度由室温升至温度为60℃，待混合溶液体系变透明后得到蜜胺树脂壁材预聚体溶液；

4)相变微胶囊的制备：在搅拌速度为400rpm及反应温度为60℃的条件下，将步骤3)制备得到的蜜胺树脂壁材预聚体溶液加入到步骤2)制备得到的相变芯材乳化液中得到乳液体系；用柠檬酸溶液慢慢调节乳液体系的pH值为3-5.5，乳液体系由澄清变为乳白；在反应0.5小时后，控制乳液体系的温度在60℃进一步反应1小时；反应产物经洗涤，过滤和干燥后得到所述的相变微胶囊；其中聚丙烯酸十六酯在所述的相变微胶囊中的含量为5wt％，相变微胶囊的尺寸为1-2μm。

实施例4

1)单体溶液的准备：取1g丙烯酸二十酯，并将温度升至其熔点以上，加入占所述丙烯酸二十酯与BPO总量0.2wt％的BPO并搅拌，使所述丙烯酸二十酯充分溶解，得到丙烯酸二十酯单体的溶液；

2)相变芯材乳化液的制备：将0.5g曲拉通-100(Triton-X100)和50ml去离子水加入到150ml的三口烧瓶中；在搅拌速度为200rpm-400rpm的同时将上述乳化剂水溶液的温度由室温逐渐升温至温度为50℃；将步骤1)得到的丙烯酸二十酯单体的溶液全部加入至该乳化剂水溶液中，搅拌均匀，得到相变芯材乳化液；

3)蜜胺树脂壁材预聚体溶液的合成：将0.6g三聚氰胺，6ml质量浓度为37％的甲醛和8ml的去离子水混合得到混合溶液，用碳酸钠溶液调节混合溶液的pH值至10-11，并将混合溶液的温度由室温升至温度为80℃，待混合溶液体系变透明后得到蜜胺树脂壁材预聚体溶液；

4)相变微胶囊的制备：在搅拌速度为200rpm及反应温度为80℃的条件下，将步骤3)制备得到的蜜胺树脂壁材预聚体溶液加入到步骤2)制备得到的相变芯材乳化液中得到乳液体系；用柠檬酸溶液慢慢调节乳液体系的pH值为3-5.5，乳液体系由澄清变为乳白；在反应2小时后，控制乳液体系的温度在90℃之间进一步反应18小时；反应产物经洗涤，过滤和干燥后即得到所述的相变微胶囊；其中聚丙烯酸二十酯在所述的相变微胶囊中的含量为35wt％，相变微胶囊的尺寸为4-5μm。

Claims (10)

1.一种具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料，其特征是：所述的相变微胶囊材料是由具有固固相转变特性的侧链包含12-20个碳原子的烷基链的聚丙烯酸酯的相变芯材，与蜜胺树脂壁材构成；其中所述的聚丙烯酸酯在所述的相变微胶囊中的含量为5wt％-80wt％。

2.根据权利要求1所述的具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料，其特征是：所述的相变微胶囊的尺寸为1μm-10μm。

3.根据权利要求1所述的具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料，其特征是：所述的聚丙烯酸酯选自聚丙烯酸十二酯、聚丙烯酸十四酯、聚丙烯酸十六酯、聚丙烯酸十八酯、聚丙烯酸二十酯所组成的组中的至少一种。

4.一种根据权利要求1-3任意一项所述的具有固固相转变芯材的相变微胶囊材料的制备方法，其特征是：

1)取0.1-3.6g侧链包含12-20个碳原子的烷基链的丙烯酸酯，并将温度升至所述的丙烯酸酯的熔点以上，加入占所述的丙烯酸酯与催化剂总量0.2wt％-0.5wt％的催化剂并搅拌，使所述的丙烯酸酯充分溶解，得到丙烯酸酯单体的溶液；

2)配制50ml质量浓度为0.5％-1％的非离子乳化剂水溶液；在搅拌的同时将非离子乳化剂水溶液的温度由室温升温至温度为50-70℃；将步骤1)得到的丙烯酸酯单体的溶液全部加入至该非离子乳化剂水溶液中，搅拌均匀，得到相变芯材乳化液；

3)将0.3-0.6g三聚氰胺，3-6ml质量浓度为37％的甲醛和5-8ml的去离子水混合得到混合溶液，用无机碱性溶液调节混合溶液的pH值至9-11，并将混合溶液的温度由室温升至温度为60-80℃，待混合溶液体系变透明后得到蜜胺树脂壁材预聚体溶液；

4)在搅拌及反应体系温度为60-80℃的条件下，将步骤3)制备得到的蜜胺树脂壁材预聚体溶液加入到步骤2)制备得到的相变芯材乳化液中得到乳液体系；用有机酸溶液调节乳液体系的pH值为3-5.5，乳液体系由澄清变为乳白；在反应0.5-3小时后，控制乳液体系的温度在60-90℃之间进一步反应；反应产物经洗涤、过滤和干燥后得到所述的相变微胶囊；其中所述的聚丙烯酸酯在所述的相变微胶囊中的含量为5wt％-80wt％。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：步骤2)所述的搅拌速度为200rpm-1000rpm；步骤4)所述的搅拌速度为200rpm-400rpm。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：所述的丙烯酸酯选自丙烯酸十二酯、丙烯酸十四酯、丙烯酸十六酯、丙烯酸十八酯、聚丙烯酸二十酯所组成的组中的至少一种。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：步骤3)所述的无机碱性溶液是碳酸钠溶液。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：所述的有机酸溶液是柠檬酸溶液。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：所述的催化剂是偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：所述的非离子乳化剂是Triton X-100或Tween 60。