CN105586010A - 纳米胶囊相变材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米胶囊相变材料的制备方法，包括如下步骤：按照质量比为2：3～1：2将相变材料和丙烯酸类酯混合均匀，得到第一混合液；加入乳化剂溶液对第一混合液进行乳化，得到分散均匀的第二混合液；加入引发剂溶液，混匀后得到第三混合液，调节第三混合液的温度为82℃～85℃并保温20min～50min，接着调节第三混合液的温度为80℃～83℃并保温直至充分反应，降低至室温后得到粗产物；对粗产物进行提纯处理，得到纳米胶囊相变材料。这种纳米胶囊相变材料的制备方法通过控制聚合反应发生的条件，一方面保证了丙烯酸类酯的充分聚合，另一方面大大降低了反应的时间，适合大规模生产。

Description

纳米胶囊相变材料的制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，特别是涉及一种纳米胶囊相变材料的制备方法。

背景技术

微胶囊相变材料(MEPCM)和纳米胶囊相变材料(NEPCM)是由以相变材料(PCM)为芯材，有机或无机材料为壳层的胶囊结构组成的。这种胶囊结构的主要作用是用来维持相变材料形状并用来阻止其相转变过程的泄漏。对于微米尺度下的MEPCM的研究，目前已经有产业化的产品问世，主要应用于建筑、太阳能等领域，其微胶囊的壳层材料以有机聚合物为主。目前，市场上的主流胶囊产品粒径通常都是微米级的，对于特殊领域的应用，比如功能热流体，纳米胶囊相变材料可以提高分散均匀性，强化传热性能。特别是当相变材料胶囊应用到电子封装和医学药物运输等领域时，由于微通道很小，微胶囊尺寸相对较大，容易引起管道堵塞，无法实现其被需要的性能，因而，像电子器件这种要求精密的领域，微胶囊结构已不能满足性能要求。

为了解决这类问题，胶囊尺寸需要进一步下降，于是就诞生了纳米胶囊。有机聚合物为壳层的纳米胶囊相变材料的制备可以有效改善微胶囊的缺陷，填补纳米胶囊相变材料的空白。而且，纳米胶囊在能量储存领域、药物运输、化学催化等方向具有微胶囊无法替代的作用，此外，纳米胶囊在微通道、热流体浆料等方面的应用也有广泛的前景。

相变材料纳米胶囊封装技术不仅克服了微胶囊相变材料应用的局限性，而且在提高相变材料使用效率，拓宽应用领域方面具有广阔的前景。纳米胶囊不仅具有比微米级胶囊更优良的贮热性和温控性能，而且由于其粒径更小因而更容易分散到液体和固体中，所以在化学，药物等领域具有广泛的应用前景。F.Cournarie等合成了胰岛素纳米胶囊，并应用于糖尿病老鼠研究。纳米胶囊技术同样可应用于光敏材料的包覆，MijeongHan合成了以苯乙烯为壳、光敏材料为芯的纳米胶囊，直径为50-150nm，并对其光学性质进行了研究。另外，纳米胶囊相变材料作为一种新型相变材料，其最大的优点是，尺寸小导热系数高，因而热效率更高，具有更加优越的散热传热能力可以应用到精密仪器设备领域，比如电子器件等，同时由于尺寸很小，其过冷现象可能也会增大，尤其是无机相变材料的纳米胶囊，但是对于有机相变材料影响较小。纳米胶囊相变材料作为一种新型的传热和蓄热介质，其颗粒微小且壁薄，能够提高相变材料的热传递和使用效率，而且也能够改善传统相变材料的加工性能。纳米胶囊的颗粒小，粒径均匀，可以很好地分散到固体和液体中制成性能更加优异的功能材料。目前尽管微胶囊相变材料已经实现工业化生产，但是纳米胶囊相变材料的研究还处于理论研究阶段。与大胶囊和微胶囊相比，纳米胶囊相变材料不但可以通过大的比表面积进一步提高热传导效率，还可以减小相变过程中的体积变化带来的胶囊结构的破坏，进一步提高胶囊材料的热性能和结构稳定性。尤其是在作为功能热流体填料等方面，纳米胶囊相变材料不但具有微胶囊和大胶囊所具有的性质包括可以提高体系的对流热传导效率，具备潜热吸收的功能，还可以解决微胶囊和大胶囊由于粒径较大所带来的体系分散的均匀度低，由于重力作用而容易出现沉降分层等问题，从而提高体系的长期循环稳定性。目前，纳米胶囊的制备仍然处于实验室制备的水平，如何制备合成过程可控、粒度均匀、性能稳定、可大批量生产的纳米胶囊材料将成为特殊应用领域的研究热点。

有机聚合物作为壳层材料，可以提供具有一定弹性的致密结构和简易的制备过程，高分子材料包覆相变材料具有包覆效率高，厚的包覆层有利于提高微胶囊相变材料的热和结构稳定性，微胶囊制备粒径可控、粒度分布均匀、制备技术成熟等特点。

传统的微米胶囊相变材料制备中，涉及到的实验过程相对较复杂，实验条件的要求也比较高，此外大多数的研究中制备胶囊结构的反应时间较长，过程慢，而且制备出的胶囊的粒径分布范围广，表面形貌不均一等缺点。

传统的纳米胶囊相变材料的制备方法中，为了保证聚合物单体聚合完全，需要较长的反应时间(超过24小时)。传统的纳米胶囊相变材料的制备方法，制备时间较长并且实验过程复杂，不适合大规模生产。

发明内容

基于此，有必要提供一种适合大规模生产的纳米胶囊相变材料的制备方法。

一种纳米胶囊相变材料的制备方法，包括如下步骤：

按照质量比为2：3～1：2将相变材料和丙烯酸类酯混合均匀，得到第一混合液，其中，所述相变材料为相变温度在20℃～30℃之间的烷烃类相变材料；

向所述第一混合液中加入乳化剂溶液对所述第一混合液进行乳化，得到分散均匀的第二混合液，其中，所述乳化剂溶液中的乳化剂与所述第一混合液的质量比为1：16～1：40；

向所述第二混合液中加入引发剂溶液，混匀后得到第三混合液，调节所述第三混合液的温度为82℃～85℃并保温20min～50min，接着调节所述第三混合液的温度为80℃～83℃并保温直至充分反应，降低至室温后得到粗产物，其中，所述引发剂溶液中的引发剂与所述第一混合液的质量比为1：16～1：40；以及

对所述粗产物进行提纯处理，得到所述纳米胶囊相变材料。

在一个实施例中，所述相变材料为液体石蜡。

在一个实施例中，所述丙烯酸类酯为甲基丙烯酸甲酯。

在一个实施例中，所述乳化剂为十二烷基苯磺酸钠。

在一个实施例中，向所述第一混合液中加入乳化剂溶液对所述第一混合液进行乳化的操作为：向所述第一混合液中加入乳化剂溶液后混匀，10～20min后再次混匀，接着将反应体系加热至50～70℃，保温10～20min同时进行机械搅拌，接着将反应体系加热至80～83℃，保温20～50min同时进行机械搅拌，形成分散均匀的乳白色微乳液即为所述第二混合液。

在一个实施例中，向所述第一混合液中加入乳化剂溶液对所述第一混合液进行乳化的操作为：向所述第一混合液中加入乳化剂溶液，接着高速剪切混合油相和水相形成分散均匀的乳白色微乳液即为所述第二混合液。

在一个实施例中，所述引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁腈。

在一个实施例中，所述乳化剂和所述引发剂的质量比为1：1。

在一个实施例中，对所述粗产物进行提纯处理的操作为：向所述粗产物中加入饱和NaCl溶液进行破乳，静置至分层后保留乳液，对所述乳液进行清洗和干燥，得到所述纳米胶囊相变材料。

这种纳米胶囊相变材料的制备方法采用界面聚合反应法制备纳米胶囊相变材料，通过控制聚合反应发生的条件，一方面保证了丙烯酸类酯的充分聚合，另一方面大大降低了反应的时间。相对于传统的纳米胶囊相变材料的制备方法，这种纳米胶囊相变材料的制备方法制备时间较短并且实验过程简单，适合大规模生产。

附图说明

图1为一实施方式的纳米胶囊相变材料的制备方法的流程图；

图2为实施例1制备的纳米胶囊相变材料的SEM照片；

图3为实施例1制备的纳米胶囊相变材料破裂后的SEM照片；

图4为实施例1制备的纳米胶囊相变材料的粒径分布图；

图5为实施例1制备的纳米胶囊相变材料的DSC曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1所示的一实施方式的纳米胶囊相变材料的制备方法，包括如下步骤：

S10、按照质量比为2：3～1：2将相变材料和丙烯酸类酯混合均匀，得到第一混合液。

相变材料为相变温度在20℃～30℃之间的烷烃类相变材料。

具体的，相变材料可以为液体石蜡。本实施方式中，相变材料为相变温度为20℃的液体石蜡。

丙烯酸类酯可以为甲基丙烯酸甲酯。

相变材料和丙烯酸类酯混合均匀的操作可以采用超声分散实现。

S20、向S10得到的第一混合液中加入乳化剂溶液对第一混合液进行乳化，得到分散均匀的第二混合液。

乳化剂溶液中的乳化剂与第一混合液的质量比为1：16～1：40。

乳化剂溶液的浓度可以为15g/L～35g/L。

乳化剂可以为十二烷基苯磺酸钠。

本实施方式中，向第一混合液中加入乳化剂溶液对第一混合液进行乳化的操作为：向第一混合液中加入乳化剂溶液后混匀，10～20min后再次混匀，接着将反应体系加热至50～70℃，保温10～20min同时进行机械搅拌，接着将反应体系加热至80～83℃，保温20～50min同时进行机械搅拌，形成分散均匀的乳白色微乳液即为第二混合液。

机械搅拌的速度为600rpm/min。机械搅拌采用片装不锈钢搅拌棒完成，一方面能够有效地增加机械搅拌的剪切力，降低乳化过程产生的泡沫量，促进反应的进行；另一方面，也可以通过搅拌，使得油相液滴的分布更加均匀，制得的产物也会具有更好的单分散性。

在其他的实施方式中，向第一混合液中加入乳化剂溶液对第一混合液进行乳化的操作为：向第一混合液中加入乳化剂溶液，接着高速剪切混合油相和水相形成分散均匀的乳白色微乳液即为第二混合液。

高速剪切可以采用上述片装不锈钢搅拌棒完成，搅拌速度为600rpm/min。

S30、向S20得到的第二混合液中加入引发剂溶液，混匀后得到第三混合液，调节第三混合液的温度为82℃～85℃并保温20min～50min，接着调节第三混合液的温度为80℃～83℃并保温直至充分反应，降低至室温后得到粗产物。

引发剂溶液中的引发剂与第一混合液的质量比为1：16～1：40。

特别的，本实施方式中，乳化剂和引发剂的质量比为1：1。

引发剂可以为过硫酸铵或偶氮二异丁腈。

过硫酸铵的活性温度为82～85℃，从而使单体的界面聚合反应快速进行，实现了粒度分布均匀的纳米胶囊相变材料的制备，同时缩短了纳米胶囊相变材料的制备周期，使得通常实验的耗时从24小时降低到4个小时，极大地提高了纳米胶囊相变材料的制备效率，使得工业化大规模生产的成本得到降低。

S40、对S30得到的粗产物进行提纯处理，得到纳米胶囊相变材料。

对粗产物进行提纯处理的操作为：向粗产物中加入饱和NaCl溶液进行破乳，静置至分层后保留乳液，对乳液进行清洗和干燥，得到纳米胶囊相变材料。

这种纳米胶囊相变材料的制备方法采用界面聚合反应法制备纳米胶囊相变材料，通过控制聚合反应发生的条件，一方面保证了丙烯酸类酯的充分聚合，另一方面大大降低了反应的时间。相对于传统的纳米胶囊相变材料的制备方法，这种纳米胶囊相变材料的制备方法制备时间较短并且实验过程简单，适合大规模生产。

下面为具体实施例。

实施例1

将7.5g液体石蜡和12.10g甲基丙烯酸甲酯混合，并用超声均匀分散5min，得到第一混合液。

将1g的十二烷基苯磺酸钠加入到42.5mL的去离子水中分散均匀，并添加到第一混合液中混匀，10min再次混匀，接着将反应体系加热至60℃，保温10min同时进行机械搅拌，接着将反应体系加热至80℃并保温30min，形成分散均匀的乳白色微乳液即为第二混合液。机械搅拌采用片装不锈钢搅拌棒完成，机械搅拌速度为600rpm/min。

将1g的过硫酸铵溶解在7.5mL的去离子水中，并缓慢滴加第二混合液中。滴加完成后混匀后得到第三混合液，调节第三混合液的温度为85℃并保温30min，接着调节第三混合液的温度为80℃并保温2.5h使得充分反应，降低至室温后得到粗产物。

向降至室温的粗产物中添加适量饱和NaCl溶液进行破乳，静置30min后分层后保留乳液，通过真空抽虑的方式用蒸馏水洗涤乳液3～5次，接着对乳液用真空干燥箱在45～50℃的条件下真空干燥4～6h，最终得到白色粉状的纳米胶囊相变材料。

本实施例中，甲基丙烯酸甲酯(分析纯)由天津大茂提供；过硫酸铵(分析纯)由上海凌峰化学试剂有限公司提供；十二烷基苯磺酸钠(分析纯)为天津市致远化学试剂厂提供；液体石蜡(分析纯)为阿拉丁试剂(中国)公司提供，相变温度20℃，潜热80J/g。

采用扫描电子显微镜分别对实施例1制得的纳米胶囊相变材料以及破裂后的实施例1制得的纳米胶囊相变材料进行观察，同时进行粒径统计，得到图2、图3和图4。

由图2、图3和图4可以看出，实施例1制得的纳米胶囊相变材料的粒度分布范围较窄，平均粒径约为260nm，一次粒径约为100nm，且为核壳结构。

对实施例1制得的纳米胶囊相变材料采用示差扫描量热法测量潜热及相变温度检测，得到图5。

由图5可以看出，实施例1制得的纳米胶囊相变材料的平均相变潜热为62J/g。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种纳米胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按照质量比为2：3～1：2将相变材料和丙烯酸类酯混合均匀，得到第一混合液，其中，所述相变材料为相变温度在20℃～30℃之间的烷烃类相变材料；

向所述第一混合液中加入乳化剂溶液对所述第一混合液进行乳化，得到分散均匀的第二混合液，其中，所述乳化剂溶液中的乳化剂与所述第一混合液的质量比为1：16～1：40；

向所述第二混合液中加入引发剂溶液，混匀后得到第三混合液，调节所述第三混合液的温度为82℃～85℃并保温20min～50min，接着调节所述第三混合液的温度为80℃～83℃并保温直至充分反应，降低至室温后得到粗产物，其中，所述引发剂溶液中的引发剂与所述第一混合液的质量比为1：16～1：40；以及

对所述粗产物进行提纯处理，得到所述纳米胶囊相变材料。

2.根据权利要求1所述的纳米胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，所述相变材料为液体石蜡。

3.根据权利要求1所述的纳米胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸类酯为甲基丙烯酸甲酯。

4.根据权利要求1所述的纳米胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，所述乳化剂为十二烷基苯磺酸钠。

5.根据权利要求1或4所述的纳米胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，向所述第一混合液中加入乳化剂溶液对所述第一混合液进行乳化的操作为：向所述第一混合液中加入乳化剂溶液后混匀，10～20min后再次混匀，接着将反应体系加热至50～70℃，保温10～20min同时进行机械搅拌，接着将反应体系加热至80～83℃，保温20～50min同时进行机械搅拌，形成分散均匀的乳白色微乳液即为所述第二混合液。

6.根据权利要求1或4所述的纳米胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，向所述第一混合液中加入乳化剂溶液对所述第一混合液进行乳化的操作为：向所述第一混合液中加入乳化剂溶液，接着高速剪切混合油相和水相形成分散均匀的乳白色微乳液即为所述第二混合液。

7.根据权利要求1所述的纳米胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁腈。

8.根据权利要求4或7所述的纳米胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，所述乳化剂和所述引发剂的质量比为1：1。

9.根据权利要求1所述的纳米胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，对所述粗产物进行提纯处理的操作为：向所述粗产物中加入饱和NaCl溶液进行破乳，静置至分层后保留乳液，对所述乳液进行清洗和干燥，得到所述纳米胶囊相变材料。