CN103555281B - 一种建筑膜材用储能调温微胶囊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种建筑膜材用储能调温微胶囊及其制备方法。微胶囊由多元复合芯材、壁材组成，在微胶囊制备过程中使用了复合乳化剂和引发剂；多元复合芯材由硬脂酸丁酯、正十二醇、正十四醇和正十六醇组成；壁材是以丙烯腈单体原料聚合而成的聚丙烯腈；复合乳化剂由十二烷基硫酸钠和OP-10组成；引发剂为偶氮二异丁腈。本发明效果：使用多元复合相变材料以合适的比例作为芯材，制备出的储能调温微胶囊具有宽温变区间，满足了建筑材料调温的要求。选用复合乳化剂，对化学性质差异较大的储能相变材料和壁材的混合物的乳化作用良好，结合本发明确定的乳化分散的技术方法，制备出的储能调温微胶囊粒径小，粒径分布较窄，为建筑膜材料的应用提供了方便，为保证膜材料质量提供了前提条件。

Description

一种建筑膜材用储能调温微胶囊及其制备方法

技术领域

本发明属于微胶囊制备技术领域，特别是涉及一种建筑膜材用储能调温微胶囊及其制备方法。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，人们对工作及居住环境的要求不断提高，而且对室内环境的舒适度要求也越来越高，同时，随着能源危机的不断加剧，建筑节能备受关注。因此，要求建筑材料的多功能化、智能化、绿色节能已经成为建筑材料发展的新趋势。储能调温相变材料应用于建筑材料中，赋予建筑物具有自动调温功能，是近年来的一种新技术。

建筑膜材料是一种新型的柔性建筑材料，其是将性能优异的高分子涂层胶均匀地涂覆于基材（多为高强低伸的纺织品）上或将高分子薄膜与基材复合而制成，其中基材与高分子膜整体厚度一般为毫米级，高分子膜厚度一般为微米级。这种建筑膜材料弥补了很多传统建筑材料无法实现的缺陷，如它克服了传统结构在大跨度建筑上无法实现的困难，在白昼充分利用自然光代替人工照明，并能够根据建筑师的设计意图建造具有一定刚度的稳定曲面造型，且膜结构建筑中所有材料的加工和制作均在工厂内完成，有效减少现场施工时间等等。如奥运会场馆的鸟巢、水立方等均为膜结构建筑，在上海世博会上，膜结构建筑更是受到设计师的青睐。

储能材料是一种高相变焓的物质，其蓄热调温原理在于当外界环境温度逐渐升高，达到物质的相变温度时，物质由固态变为液态，从环境中吸收热量，此时延缓了由相变材料所包被的空间温度的升高；反之当外界环境温度从高温逐渐降低，达到储能材料的相变点时，物质由液态转变为固态，放出热量，此时使其包被的空间温度降低减缓。由于储能材料在发生相变时会有液态形成，从而给应用带来麻烦，因此，采用微胶囊技术将储能材料包合封闭起来，制成储能微胶囊便于应用。微胶囊的制备技术本身基本成熟，但应用于建筑膜材料的储能微胶囊在制备时还存在很多技术问题：（1）如建筑用储能微胶囊要求温度变化区间宽，采用一种相变材料作为芯材难以达到要求（目前建筑储能调温用相变材料还是单组分），因此需要采用多种相变材料组分进行复合，所以需要确定相变材料的组分和比例关系；（2）将芯材乳化分散成细小液滴是成功制备微胶囊的重要步骤之一，但是，由于多组分相变材料的性能存在差异，因此选择乳化剂的种类和确定其用量比较复杂；（3）微胶囊的粒径与乳化时的搅拌方式及搅拌速率关系密切，因此如何确定合适的搅拌方式及速率也是本领域技术人员需要解决的问题。

下面列举一些与建筑用储能微胶囊有关的研究成果：

苏峻峰（苏峻峰,任丽,王立新.相变储热微胶囊储热调温效果的研究[J].太阳能学报,2005,26(03)∶327-331）进行了相变微胶囊用于墙体的模拟实验，该试验是将相变微胶囊置于人工制造的气候箱中，通过连续升降温测试相变微胶囊的调温节能作用，试验结果表明，相变微胶囊的应用可以减缓温度波动，延长室内舒适度的时间，节能效果达到15.5%；周建中等（周建中,陈红霞,冯菊莲等.相变蓄能石膏板的性能研究及应用，建筑技术，2011，（42）：836-838）将微胶囊相变材料与石膏胶凝材料直接混合生产储能石膏板，采用的微胶囊相变材料芯材为石蜡，相变温度为25℃，平均粒径为8.04μm；Feldman等（FeldmanD,BanuD,HawesD.Lowchainestersofstearicacidasphasechangematerialsforthermalenergystorageinbuildings[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells,1995,36(3)∶311-322）将普通石膏板浸泡在相变材料溶液中和在传统石膏板生产的搅拌阶段直接掺入21％～22％的硬脂酸丁酯相变材料制得储能石膏板；王岐东等（王岐东,董黎明,代一心等.相变建筑节能材料的应用研究与进展[J].北京工商大学学报(自然科学版),2005,23(01)：5-8）分别以硬脂酸丁酯和石蜡为相变材料，聚乙烯醇为分散剂，石膏板为载体，通过直接加入法制备出相变石膏板；马芳梅（马芳梅.相变物质储能建筑材料性质研究的进展[J].新型建筑材料，1997，（8）：40-42）等分别以正十八烷和正十六烷混合物、硬脂酸正丁酯和正十六烷混合物为相变材料，以石膏纤维装饰板为基体制成墙板相变材料。刘先之等（刘先之，刘凌志，门永锋.石蜡相变微胶囊的制备与表征.应用化学[J].2012，29（1）：9-12）制备出了以相变石蜡为芯材、壳聚糖为壁材的新型储能相变微胶囊，微胶囊的平均粒径为80μm，升温相变温度约为37～42℃，降温相变温度约为37～23℃。可见，现有技术中，一是将储能微胶囊用于传统的建筑材料中，这些技术对微胶囊的粒径要求不高，粒径可以大些，且尚未见到复合芯材用作建筑储能微胶囊的制备；二是将储能材料直接加入到建筑材料中，将储能材料添加到这些传统的建筑材料中技术相对简单。

另一种技术是以制备储能调温纺织品为目的制备的储能微胶囊，其特点是粒径较小，温变区间要求25～30℃。邹黎明等（邹黎明,杨金波,郑兴等.蓄热、调温微胶囊相变材料的制备及其表征.合成纤维,2007No.5∶15-17）以脂肪酸酯类相变材料为芯材，尿醛树脂为壁材制备成的调温微胶囊，其熔融相变温区为22.1～30.2℃，结晶相变温区为22.2～15.3℃，微胶囊粒径大约在1.0～2.0μm；胡广东等（胡广东，邹黎明，徐速等.复合相变材料/聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊的制备及表征.合成纤维，2011No.1：20-23）以两种不同的脂肪酸酯类相变材料A和脂肪酸酯类相变材料B为复合芯材，以甲基丙烯酸甲酯为壁材制备出相变微胶囊，其熔融相变温度范围为21.3～42.4℃，结晶相变温度为32.5～16.2℃，微胶囊粒径约为1.0～3.0μm。这种相变微胶囊的结晶相变温度较高，即32.5℃时就会结晶放热，不适宜调节室内温度使用。可见，利用现有的储能微胶囊制备技术尚不能制备出满足建筑膜材调温温变区间的储能调温微胶囊。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够满足储能调温建筑膜材料应用要求的建筑膜材用储能调温微胶囊及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供的建筑膜材用储能调温微胶囊由多元复合芯材、壁材、复合乳化剂和引发剂组成；其中多元复合芯材由硬脂酸丁酯、正十二醇、正十四醇和正十六醇以2∶1.0～1.3∶1.5～1.7∶0.5～0.8的重量比组成；壁材是以丙烯腈单体原料聚合而成的聚丙烯腈，多元复合芯材与丙烯腈单体的重量比为1∶1.5～3.0；复合乳化剂由十二烷基硫酸钠(SDS)和OP-10以1∶0.8～1.0的重量比组成，用量为多元复合芯材和丙烯腈单体总重量的4%～7%；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为丙烯腈单体重量的1.2%～2%。

本发明提供的建筑膜材用储能调温微胶囊的制备方法是将按照上述量称取的乳化剂加入到蒸馏水中，室温下充分搅拌至完全溶解而形成乳化剂溶液；然后将按照上述量称取的丙烯腈单体及多元复合芯材的各原料加入到上述乳化剂溶液中，先电动搅拌预混合5～10min，再用匀浆机高速剪切乳化分散5～10min，得到芯材与壁材的混合乳化分散体系；之后置于60～70℃的水浴中加热搅拌，同时滴加引发剂，反应4～5h，以使丙烯腈单体聚合成聚丙烯腈并包覆于芯材表面制成微胶囊，然后用石油醚或丙酮洗涤2～3次，再用30～35℃的蒸馏水洗涤2～3次，抽滤烘干后即得到所述的建筑膜材用储能调温微胶囊。

所述的乳化剂与蒸馏水的重量比为1∶20；匀浆机采用的剪切速率为10000～12000rpm。

本发明提供的建筑膜材用储能调温微胶囊及其制备方法具有如下有益效果：

（1）使用多元复合相变材料以合适的比例作为芯材，制备出的储能调温微胶囊具有宽温变区间，满足了建筑材料调温的要求。

（2）选用复合乳化剂，对化学性质差异较大的多组分储能相变材料和壁材混合物的乳化作用良好，结合本发明确定的乳化分散的技术方法，制备出的储能调温微胶囊粒径小，粒径分布较窄，为建筑膜材料的应用提供了方便，为保证膜材料质量提供了前提条件。

（3）选择聚丙烯腈作为壁材，没有甲醛释放问题，绿色环保。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的建筑膜材用储能调温微胶囊所采用的乳化分散体系电镜图。

图2为本发明实施例1提供的建筑膜材用储能调温微胶囊电镜图。

图3为本发明对比例提供的储能调温微胶囊所采用的乳化分散体系电镜图。

图4为本发明对比例提供的储能调温微胶囊电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的建筑膜材用储能调温微胶囊进行详细说明。

实施例1：

本实施例提供的结构建筑膜材用储能调温微胶囊制备方法：

将0.5g十二烷基硫酸钠和0.4gOP-10加入到18g蒸馏水中，室温下充分搅拌至完全溶解而形成乳化剂溶液；然后将10g丙烯腈单体及2g硬脂酸丁酯、1.0g正十二醇、1.5g正十四醇和0.5g正十六醇加入到上述乳化剂溶液中，先电动搅拌预混合10min，再用匀浆机在11000rpm的剪切速率下乳化分散10min，得到芯材与壁材的混合分散体系；之后置于70℃的水浴中加热搅拌，同时滴加0.2g偶氮二异丁腈，反应5h，以使丙烯腈单体聚合成聚丙烯腈并包覆于芯材表面制成微胶囊，然后用石油醚洗涤3次，再用32℃的蒸馏水洗涤3次，抽滤烘干后即得到所述的建筑膜材用储能调温微胶囊。

实施例2：

本实施例提供的建筑膜材用储能调温微胶囊制备方法：

将0.4g十二烷基硫酸钠和0.4gOP-10加入到16g蒸馏水中，室温下充分搅拌至完全溶解而形成乳化剂溶液；然后将7.5g丙烯腈单体及2g硬脂酸丁酯、1.0g正十二醇、1.5g正十四醇和0.5g正十六醇加入到上述乳化剂溶液中，先电动搅拌预混合8min，再用匀浆机在11000rpm的剪切速率下乳化分散8min，得到芯材与壁材的混合分散体系；之后置于70℃的水浴中加热搅拌，同时滴加0.15g偶氮二异丁腈，反应4h，以使丙烯腈单体聚合成聚丙烯腈并包覆于芯材表面制成微胶囊，然后用丙酮洗涤3次，再用35℃的蒸馏水洗涤3次，抽滤烘干后即得到所述的建筑膜材用储能调温微胶囊。

实施例3：

本实施例提供的建筑膜材用储能调温微胶囊制备方法：

将0.6g十二烷基硫酸钠和0.6gOP-10加入到24g蒸馏水中，室温下充分搅拌至完全溶解而形成乳化剂溶液；然后将13.25g丙烯腈单体及2g硬脂酸丁酯、1.2g正十二醇、1.6g正十四醇和0.5g正十六醇加入到上述乳化剂溶液中，先电动搅拌预混合10min，再用匀浆机在12000rpm的剪切速率下乳化分散10min，得到芯材与壁材的混合分散体系；之后置于70℃的水浴中加热搅拌，同时滴加0.2g偶氮二异丁腈，反应5h，以使丙烯腈单体聚合成聚丙烯腈并包覆于芯材表面制成微胶囊，然后用石油醚洗涤3次，再用35℃的蒸馏水洗涤3次，抽滤烘干后即得到所述的建筑膜材用储能调温微胶囊。

对比例：

将实施例1中的由十二烷基硫酸钠和OP-10组成的复合乳化剂改成单一乳化剂OP-10，其余原料配比及制备工艺不变，制备出储能调温微胶囊。

本发明人将上述实施例1提供的建筑膜材用储能调温微胶囊及其所采用的乳化分散体系分别在电镜下进行了扫描，结果见图1—图2，并与对比例制备出的储能调温微胶囊及其所采用的乳化分散体系进行了对比，结果见图3—图4。由图1可见，本建筑膜材用储能调温微胶囊所采用的乳化分散体系中相变材料和壁材均匀分散在水中，即整个乳化分散体系均匀；由图2可见，本建筑膜材用储能调温微胶囊表观形态基本为球形，表面光滑，粒径约为1～3μm且分布均匀。另外，经测试，本建筑膜材用储能调温微胶囊的升温熔融相变区间为19.3～35.1℃，结晶相变温度为27.2～15.5℃。

由图3可见，对比例提供的储能调温微胶囊所采用的乳化分散体系不均匀。由图4可见，对比例提供的储能调温微胶囊表观形态差，粒径大且分布不均匀。

Claims (2)

1.一种建筑膜材用储能调温微胶囊，其特征在于：所述的储能调温微胶囊由多元复合芯材、壁材、复合乳化剂和引发剂组成；其中多元复合芯材由硬脂酸丁酯、正十二醇、正十四醇和正十六醇以2∶1.0～1.3∶1.5～1.7∶0.5～0.8的重量比组成；壁材是以丙烯腈单体原料聚合而成的聚丙烯腈，多元复合芯材与丙烯腈单体的重量比为1∶1.5～3.0；复合乳化剂由十二烷基硫酸钠(SDS)和OP-10以1∶0.8～1.0的重量比组成，用量为多元复合芯材和丙烯腈单体总重量的4％～7％；引发剂为偶氮二异丁腈，用量为丙烯腈单体重量的1.2％～2％；

所述的建筑膜材用储能调温微胶囊的制备方法是将按照上述量称取的乳化剂加入到蒸馏水中，室温下充分搅拌至完全溶解而形成乳化剂溶液；然后将按照上述量称取的丙烯腈单体及多元复合芯材各组分原料加入到上述乳化剂溶液中，先电动搅拌预混合5～10min，再用匀浆机高速剪切乳化分散5～10min，得到芯材与壁材的混合分散体系；之后置于60～70℃的水浴中加热搅拌，同时滴加引发剂，反应4～5h以使丙烯腈单体聚合成聚丙烯腈并包覆在芯材表面制成微胶囊，最后用石油醚或丙酮洗涤2～3次，再用30～35℃的蒸馏水洗涤2～3次，抽滤烘干后即得到所述的建筑膜材用储能调温微胶囊。

2.根据权利要求1所述的建筑膜材用储能调温微胶囊，其特征在于：所述的乳化剂与蒸馏水的重量比为1∶20；匀浆机采用的剪切速率为10000～12000rpm。