CN104449590B - 一种相变储能材料的纳米胶囊及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相变储能材料的纳米胶囊及其制备方法，特别涉及一种由无机材料作为壳层的相变储能材料的胶囊及其制备方法。本发明通过将由相变储能材料与正硅酸乙酯混合形成的油相呈纳米级液滴状分散于由水与乙醇形成水相中，并在碱性催化剂的作用下，由正硅酸乙酯发生水解‑缩合反应，在油相液滴表面形成二氧化硅壳层以包覆相变储能材料的办法，制备得到一种粒径小于1μm的相变储能材料的纳米胶囊。所得纳米胶囊粒径分布均匀，比表面积大，相变焓高。该制备方法简单易行，制备产率高，有利于大批量制备热量存储/释放效率高的相变储能材料。

Description

一种相变储能材料的纳米胶囊及其制备方法
技术领域
本发明涉及相变储能材料的胶囊及其制备方法，特别涉及一种由无机材料作为壳层的相变储能材料的胶囊及其制备方法。
背景技术
相变储能材料也即相变材料(Phase Change Materials，PCMs)，因其在相变过程中能够存储或释放潜热，并且在存储和释放潜热的过程中温度恒定，而成为一种理想的热能存储材料，在太阳能利用、建筑节能、制冷系统、恒温织物等领域具有广泛的应用前景。
相变储能材料包括固-液相变储能材料、固-固相变储能材料、固-气相变储能材料以及液-气相变储能材料，后两种相变储能材料在相变过程中会产生导致材料体积变化较大的气体，实际应用较少，而在具有应用优势的固-液相变储能材料上，其面临的应用困难在于相变后会出现材料熔融流动的现象，因此需要对该材料进行固定，其中对固-液相变储能材料的胶囊化是一种较为有效的固定方法。相变储能材料的胶囊是指以有机、无机或金属材料作为壳层材料(壳材)，以相变储能材料作为芯材，制成的核-壳结构粒子，根据胶囊尺寸，可以将其分为大胶囊(粒径>1mm)、微胶囊(粒径为1-1000μm)和纳米胶囊(粒径<1μm)。
常见的相变储能材料的胶囊的芯材包括石蜡、聚乙二醇、脂肪酸及其酯、水合盐等多种类型，传统的相变储能材料的胶囊的壳材(壁材)包括密胺-甲醛树脂、脲醛树脂、聚氨酯等有机聚合物，近年来，因无机材料作为壳材(壁材)具有不释放有害气体、导热快、不燃和热稳定性高等的优势，无机材料开始用于相变储能材料的包覆，成为研究的热点。
目前，公开报道的二氧化硅包覆相变储能材料的胶囊的尺寸大多在微米量级，即微胶囊。如公开号为CN101503618A的专利申请中公开了一种二氧化硅微胶囊化相变储能材料及其制备方法，以乙醇的水溶液为连续相，使相变储能材料乳化，滴加有机硅氧化合物，在碱性条件下制得了二氧化硅包覆的相变储能材料微胶囊，粒径在微米量级(10-30μm)；公告号为CN100494305C的专利中公开了一种二氧化硅包覆相变储能材料微胶囊的制备方法，使有机相变储能材料在水中乳化，加入正硅酸乙酯，在酸性条件下制得了相变储能材料微胶囊，其粒径也在微米量级；公告号为CN101824307B的专利中公开了一种微胶囊复合相变储能材料及其制备方法，由分散乳化剂、水、相变储能材料和正硅酸乙酯配制成乳液，在盐酸或氢氧化钠催化下，制得了相变储能材料微胶囊，其粒径同样在微米量级(17μm)。这些制备方法所采用的乳液体系中，液滴尺寸较大，因而所制备的二氧化硅包覆相变储能材料胶囊的粒径一般在10μm以上。
与微胶囊相比，纳米胶囊具有更小的尺寸，不易破裂，比表面积更大，能提高热能存储或释放效率。Li等(ACS Sustainable Chem.Eng.2013,1,374-380)报道了采用原位乳液界面水解-缩合法制备二氧化硅包覆石蜡纳米胶囊，尺寸为200-500nm，但该方法由于乳液稳定性不够，所制备的纳米胶囊形貌不规则，团聚严重，产率较低(55％)，相变焓也较低(45.5J/g)，不利于实际应用；Latibari等(Energy 2013,61,664-672)在乳液中通过溶胶-凝胶法制备了二氧化硅包覆棕榈酸纳米胶囊，但其步骤较为繁琐，溶胶-凝胶反应需分步进行，不能一锅完成。
发明内容
基于上述现有技术的缺陷，本发明希望开发一种简便的相变储能材料纳米胶囊的制备方法，及其对应制得的形貌规则、相变焓和产率高的二氧化硅包覆相变储能材料的纳米胶囊。
本发明通过以下技术方案达到上述目的：
首先提出一种相变储能材料的纳米胶囊的制备方法，包括以下步骤：
1)将相变储能材料与正硅酸乙酯在反应釜中混合形成油相；
2)向步骤1)所述的油相中加入水与乙醇形成水相，其后加入乳化剂(离子型表面活性剂)并进行搅拌，使所述油相与水相混合形成乳液，乳液中油相于水相中分散形成纳米级的液滴；
3)向所述乳液中加入碱性催化剂，使其进行反应，反应完成后即得到相变储能材料的纳米胶囊；
其中所述储能材料与正硅酸乙酯的质量比为1:1～1:5，所述水相中水与乙醇的质量比为0.5:1～20:1，所述乳化剂为离子型表面活性剂，其用量为水相质量的0.2～5％，所述碱性催化剂的用量为水相质量的0.2～5％；且步骤2)所述搅拌与步骤3)所述反应均在加热下进行，加热的温度均为高于相变储能材料的熔点5～10℃。
通过上述技术方案生成相变储能材料的纳米胶囊可以作为储热流体直接使用，也可将乳液进行过滤，对滤得的纳米胶囊进行去离子水洗涤和干燥则得到白色粉末状的相变储能材料的纳米胶囊，该相变储能材料的纳米胶囊也可进一步地与水泥、石膏或其它一些高分子材料共同制成调温复合材料，其优选的干燥条件为：自然风干燥数天或在50℃的真空烘箱中干燥24小时。
优选的是其中所述相变储能材料与正硅酸乙酯的质量比为1:1～1:2。
另外优选的是：所述水相中水与乙醇的质量比为1:1～2:1。
另外优选的是：所述乳化剂用量为水相质量的1～3％。
另外优选的是：所述水相与油相的质量比为10:1。
另外优选的是：所述碱性催化剂的用量为水相质量的0.4～3％。
在对水相与油相进行混合搅拌的过程中搅拌速度优选1000～2000转/分钟，在加入碱性催化剂后对乳液进行搅拌时优选搅拌速度为500～1000转/分钟。
另外优选的是：所述相变储能材料为选自轻质石蜡、25#相变石蜡、30#相变石蜡、35#石蜡、C12-28的正构烷烃，C8-18的脂肪醇，C8-18的脂肪酸及其酯中的一种或多种。
其进一步优选的是：所述相变储能材料为选自十六烷、十八烷、二十烷、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸、硬脂酸正丁酯中的一种或多种。
另外优选的是：所述乳化剂为选自十六烷基三甲基溴化铵，十二烷基硫酸钠，十二烷基磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠，聚苯乙烯-马来酸酐钠盐中的一种或多种。
其进一步优选的是：所述碱性催化剂为选自氨水，氢氧化钠，乙二胺，三甲胺水溶液中的一种或多种。其进一步的优选是：所述碱性催化剂为25wt％的氨水或5wt％的氢氧化钠水溶液。
本发明进一步公开了一种根据上述制备方法制备得到的相变储能材料的纳米胶囊，该纳米胶囊由二氧化硅作为壳层包覆由相变储能材料形成的胶囊核，其粒径小于1μm。
本发明将相变储能材料和正硅酸乙酯混溶后作为油相，即分散相；水和乙醇的混合溶剂为乳液的连续相，有利于降低乳液中相变储能材料液滴的尺寸，提高乳液稳定性，使成形后的纳米胶囊的形貌更为规则。
在乳化剂的作用下，相变储能材料在不互溶的液体介质中分散成尺寸在纳米量级的小液滴。加入碱性催化剂后，正硅酸乙酯发生水解，水解产物向液滴表面迁移，并在表面发生缩合反应，形成一定厚度的二氧化硅壳层，相变储能材料位于液滴中心，形成胶囊核，并被二氧化硅壳层所包覆。
本发明中二氧化硅包覆相变储能材料纳米胶囊的制备采用一锅法，乳化过程、正硅酸乙酯的水解与缩合反应均在同一反应容器中完成，制备方法简便易行。
本发明具有以下有益效果：
1)制备方法简便，产率高，便于大批量制备；
2)制备方法适于制得包覆多种不同类型的相变储能材料的纳米胶囊；
3)制备得到的二氧化硅包覆相变储能材料纳米胶囊的粒径小于1μm，比表面积大，热量存储/释放效率高；
4)制备得到的纳米胶囊形貌规则，粒径分布均匀，相变焓高；
5)制备得到的相变储能材料的纳米胶囊可与多种无机材料和有机聚合物复合制成控温复合材料，相容性好，对力学性能的影响小。
本发明所制备的二氧化硅包覆相变储能材料纳米胶囊可以用于智能调温织物、建筑节能、电子电器控温、工业制冷系统等领域。
附图说明
图1为本发明的相变储能材料的纳米胶囊的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图2为本发明的相变储能材料的纳米胶囊的透射电子显微镜(TEM)照片(30000×)
具体实施方式
本发明的具体实施方式包括以下步骤：
1)将相变储能材料与正硅酸乙酯在反应釜中混合形成的油相；
2)向步骤1)所述的油相中加入水与乙醇形成水相，其后加入乳化剂(离子型表面活性剂)并进行搅拌，使所述油相与水相混合形成乳液，乳液中油相于水相中分散形成纳米级的液滴；
3)向所述乳液中加入碱性催化剂，使其进行反应，反应完成后即得到相变储能材料的纳米胶囊；
其中所述储能材料与正硅酸乙酯的质量比为1:1～5:1，所述水相中水与乙醇的质量比为0.5:1～20:1，所述乳化剂为离子型表面活性剂，其用量为水相质量的0.2～5％，所述碱性催化剂的用量为水相质量的0.2～5％；且步骤2)所述搅拌与步骤3)所述反应均在加热下进行，加热的温度均为高于相变储能材料的熔点5～10℃。
在制备中相变储能材料可选轻质石蜡、25#相变石蜡、30#相变石蜡、35#石蜡、C12-28的正构烷烃，C8-18的脂肪醇，C8-18的脂肪酸及其酯中的一种或多种，进一步的可选十六烷、十八烷、二十烷、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸、硬脂酸正丁酯中的一种或多种。以上材料均可以在市面上购买。
制备中所选的乳化剂可为十六烷基三甲基溴化铵，十二烷基硫酸钠，十二烷基磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠，聚苯乙烯-马来酸酐钠盐中的一种或多种。所选的碱性催化剂可为氨水，氢氧化钠，乙二胺，三甲胺水溶液中的一种或多种，进一步的可选质量浓度25wt％的氨水或5wt％的氢氧化钠水溶液。
以上材料均可以在市面上购得。
生成相变储能材料的纳米胶囊后，将乳液进行过滤，对滤得的纳米胶囊进行去离子水洗涤和干燥则得到白色粉末状的相变储能材料的纳米胶囊，干燥条件可选自然风干燥数天或在50℃的真空烘箱中干燥24小时。
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例1
在100mL圆底烧瓶中，加入2g正十八烷，3g正硅酸乙酯，混溶后形成油相，其后依次向烧瓶内加入水25mL，乙醇17.7mL，混溶后作为水相。其后再向内加入0.82g十六烷基三甲基溴化铵，将烧瓶置于35℃水浴中，对烧瓶内的混合液进行磁力搅拌30分钟，搅拌速率为1500转/分钟，形成水包油乳液。完成上述步骤后，向烧瓶内加入质量浓度为25wt％的氨水0.52mL，在35℃下，磁力搅拌12小时，搅拌速率为800转/分钟，在此过程中正硅酸乙酯发生水解-缩合反应，在油相液滴表面形成二氧化硅壳层。将反应后的混合液进行过滤得到纳米胶囊，用去离子水对其进行多次洗涤，再于50℃下将其真空干燥24h，即得到二氧化硅包覆正十八烷结构的纳米胶囊，其为规则的球形，平均粒径为400nm，熔融温度为28.3℃，熔融焓为130J/g。本实施例中，纳米胶囊的产率为87％。产率的计算方法为：通过称重获得产物质量(W)，再通过热重分析得到产物中相变储能材料的含量(C％)，已知初始加入的相变储能材料质量(W0)，则可通过右式计算产率(Y)：Y＝W×C％/W0。
实施例2
在100mL圆底烧瓶中，加入2g正二十八烷，3g正硅酸乙酯，混溶后形成油相，其后依次向烧瓶内加入水25mL，乙醇17.7mL，混溶后作为水相。其后再向内加入1.02g十六烷基三甲基溴化铵，将烧瓶置于70℃水浴中，对烧瓶内的混合液进行磁力搅拌30分钟，搅拌速率为1500转/分钟，形成水包油乳液。完成上述步骤后，向烧瓶内加入质量浓度为25wt％的氨水0.52mL，在70℃下，磁力搅拌6小时，搅拌速率为800转/分钟，在此过程中正硅酸乙酯发生水解-缩合反应，在油相液滴表面形成二氧化硅壳层。将反应后的混合液进行过滤得到纳米胶囊，用去离子水对其进行多次洗涤，再于50℃下将其真空干燥24h，即得到二氧化硅包覆正二十八烷结构的纳米胶囊，其为规则的球形，平均粒径为500nm，熔融温度为59.5℃，熔融焓为116J/g。本实施例中，纳米胶囊的产率为88％。
实施例3
在1000mL三口瓶中，加入20g正十八烷，30g正硅酸乙酯，混溶后形成油相，其后依次向三口瓶内加入水250mL，乙醇177mL，混溶后作为水相。其后再向内加入8.2g十六烷基三甲基溴化铵，将三口瓶置于35℃水浴中，对三口瓶内的混合液进行机械搅拌30分钟，搅拌速率为1500转/分钟，形成水包油乳液。完成上述步骤后，向三口瓶内加入质量浓度为25wt％的氨水5.2mL，在35℃下，机械搅拌12小时，搅拌速率为500转/分钟，在此过程中正硅酸乙酯发生水解-缩合反应，在油相液滴表面形成二氧化硅壳层。将反应后的混合液进行抽滤得到纳米胶囊，用去离子水对其进行多次洗涤，再于50℃下将其真空干燥24h，即得到产物二氧化硅包覆正十八烷结构的纳米胶囊，其为规则的球形，平均粒径为450nm，熔融温度为28.5℃，熔融焓为128J/g，本实施例中，纳米胶囊的产率为88％。
实施例4
在100mL圆底烧瓶中，加入2g月桂酸，3g正硅酸乙酯，混溶后形成油相，其后依次向烧瓶内加入水25mL，乙醇17.7mL，混溶后作为水相。其后再向内加入0.60g十二烷基硫酸钠，将烧瓶置于50℃水浴中，对烧瓶内的混合液进行磁力搅拌30分钟，搅拌速率为1500转/分钟，形成水包油乳液。完成上述步骤后，向烧瓶内加入质量浓度为25wt％的氨水0.26mL，在50℃下，磁力搅拌8小时，搅拌速率为800转/分钟，在此过程中正硅酸乙酯发生水解-缩合反应，在油相液滴表面形成二氧化硅壳层。将反应后的混合液进行过滤得到纳米胶囊，用去离子水对其进行多次洗涤，再于50℃下将其真空干燥24h，即得到二氧化硅包覆月桂酸结构的纳米胶囊，其为规则的球形，平均粒径为200nm，熔融温度为42.6℃，熔融焓为106J/g。本实施例中，纳米胶囊的产率为84％。
实施例5
在100mL圆底烧瓶中，加入2g硬脂酸正丁酯，3g正硅酸乙酯，混溶后形成油相，其后依次向烧瓶内加入水25mL，乙醇17.7mL，混溶后作为水相。其后再向内加入0.82g十六烷基三甲基溴化铵，将烧瓶置于35℃水浴中，对烧瓶内的混合液进行磁力搅拌30分钟，搅拌速率为1500转/分钟，形成水包油乳液。完成上述步骤后，向烧瓶内加入质量浓度为25wt％的氨水0.26mL，在35℃下，磁力搅拌12小时，搅拌速率为800转/分钟，在此过程中正硅酸乙酯发生水解-缩合反应，在油相液滴表面形成二氧化硅壳层。将反应后的混合液进行过滤得到纳米胶囊，用去离子水对其进行多次洗涤，再于50℃下将其真空干燥24h，即得到二氧化硅包覆硬脂酸正丁酯结构的纳米胶囊，其为规则的球形，平均粒径为500nm，熔融温度为27.2℃，熔融焓为76J/g。本实施例中，纳米胶囊的产率为86％。
实施例6
在100mL圆底烧瓶中，加入2g正十二醇，3g正硅酸乙酯，混溶后形成油相，其后依次向烧瓶内加入水25mL，乙醇17.7mL，混溶后作为水相。其后再向内加入0.82g十六烷基三甲基溴化铵，将烧瓶置于35℃水浴中，对烧瓶内的混合液进行磁力搅拌30分钟，搅拌速率为1500转/分钟，形成水包油乳液。完成上述步骤后，向烧瓶内加入质量浓度为25wt％的氨水0.52mL，在35℃下，磁力搅拌12小时，搅拌速率为800转/分钟，在此过程中正硅酸乙酯发生水解-缩合反应，在油相液滴表面形成二氧化硅壳层。将反应后的混合液进行过滤得到纳米胶囊，用去离子水对其进行多次洗涤，再于50℃下将其真空干燥24h，即得到二氧化硅包覆正十八烷结构的纳米胶囊，其为规则的球形，平均粒径为350nm，熔融温度为29.8℃，熔融焓为115J/g。本实施例中，纳米胶囊的产率为86％。
上面虽然结合实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，在权利要求的范围内，还可以对上述实施例进行并更或改变等。

Claims (7)

1.一种相变储能材料的纳米胶囊的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将相变储能材料与正硅酸乙酯在反应釜中混合形成油相；
2)向步骤1)所述的油相中加入水与乙醇形成的水相，其后加入乳化剂并进行搅拌，使所述油相与水相混合形成乳液，乳液中油相于水相中分散形成纳米级的液滴；
3)向所述乳液中加入碱性催化剂，使其进行反应，反应完成后即得到相变储能材料的纳米胶囊；
其中所述水相与油相的质量比为5:1～20:1，所述相变储能材料与正硅酸乙酯的质量比为1:1～1:5，所述乳化剂为离子型表面活性剂，其用量为水相质量的0.2～5％，所述碱性催化剂的用量为水相质量的0.2～5％；且步骤2)所述搅拌与步骤3)所述反应均在加热下进行，加热的温度均为高于相变储能材料的熔点5～10℃；
所述碱性催化剂为选自氨水，氢氧化钠，乙二胺，三甲胺水溶液中的一种或多种；
所述水相中水与乙醇的质量比为1:1～2:1。
2.根据权利要求1所述的相变储能材料的纳米胶囊的制备方法,其特征在于：所述相变储能材料与正硅酸乙酯的质量比为1:1～1:2。
3.根据权利要求1所述的相变储能材料的纳米胶囊的制备方法,其特征在于：所述水相与油相的质量比为10:1。
4.根据权利要求1所述的相变储能材料的纳米胶囊的制备方法,其特征在于：所述相变储能材料为选自轻质石蜡、25#相变石蜡、30#相变石蜡、35#石蜡、C12-28的正构烷烃，C8-18的脂肪醇，C8-18的脂肪酸及其酯中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的相变储能材料的纳米胶囊的制备方法,其特征在于：所述相变储能材料为选自十六烷、十八烷、二十烷、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸、硬脂酸正丁酯中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的相变储能材料的纳米胶囊的制备方法,其特征在于：所述乳化剂为选自十六烷基三甲基溴化铵，十二烷基硫酸钠，十二烷基磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠，聚苯乙烯-马来酸酐钠盐中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的相变储能材料的纳米胶囊的制备方法,其特征在于：所述碱性催化剂为25wt％的氨水或5wt％的氢氧化钠水溶液。
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