CN105838334A - 一种蓄热调温相变微胶囊的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的是一种蓄热调温相变微胶囊的制备方法，属于节能/储能、纳米复合和高分子化学交叉技术领域。本发明采用原位聚合法，制备以脲醛树脂为壁材，以工业级十八烷为芯材的相变微胶囊，芯壁质量比为1～9:1，包覆率为50～90％，制得的相变微胶囊呈规则圆球状，粒径约为1.5‑4μm且分布均匀，具有适宜的相变温度和较高的相变潜热。本发明原料成本低、来源广泛，制备过程简单，消耗时间短，所制得的相变微胶囊可分散在纺丝液进行纺丝制备蓄热调温纤维，进而与其他纤维进行混纺，制备具有温度调节功能的混纺纱线。可望在蓄热调温纤维、功能纺织品、室内装饰材料和建筑节能等领域得到广泛应用。

Description

一种蓄热调温相变微胶囊的制备方法
技术领域
本发明属于节能/储能、纳米复合和高分子化学交叉技术领域，具体涉及采用原位聚合法制备一种以工业级十八烷为芯材，以脲醛树脂为壁材的一种蓄热调温相变微胶囊。
背景技术
相变储能技术是利用相变材料(PCMs)对能量进行吸收、储存和释放的一项新型环保节能技术，它可以解决能源供给在时间和空间上失衡的矛盾，是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，对缓解日趋紧张的能源问题具有重要的意义。相变物质通常有固、液和气三态，由于固-固相变存在高温升华，固-气和液-气相变伴随大量气体存在，因此固-液相变材料(如长链烷烃、石蜡、聚乙二醇、脂肪酸和脂肪酸酯等)的开发与利用最具应用前景。虽然固-液相变材料的相变过程是一个等温或近似等温的过程，相变过程伴随能量的吸收或释放，可调控体系或环境的温度，实现热能储存和温度调节的功能，且具有能量存储密度高、储热容器体积小、热效率高和吸放热温度恒定等优点。
随着科学技术的不断发展，人们对纺织品的要求也有了更高的标准，多功能性纺织品应运而生，其中相变蓄热调温纤维及其纺织品的开发与应用受到了广泛的关注，它可以通过吸收、存储与释放热能来调节服装及环境温度，减少皮肤温度的变化，提高人体穿着的舒适性。若外界的温度增加，提供了增加PCM分子运动的能量，直到达到PCM的熔点之前，服装及周边微气候逐步升温。但外界温度升高到PCM熔点时，PCM逐步从固体变成液体，便会吸收外界的热量作为潜热贮存起来，这时服装及周边的微气候保持在相变温度点不变；当外界的温度降低，PCM逐步固体化，且放出潜热，服装及周边微气候温度保持恒定，在纺织服装、运动性服装、服饰和理疗等方面都有着广泛的应用。自20世纪70年代，各国科技工作者尝试采用各种方法研制与开发相变调温纤维与纺织品，主要包括：
(1)相变材料涂层法，即直接将织物放入含有相变材料、交联剂和催化剂等组分的整理液中进行浸渍处理，经整理后的织物具有明显的储热效果，但织物手感、耐水洗性、透气性和调温保持性等都存在较大问题。
(2)中空纤维填充法，即利用纤维中空部分的气-液(固)相转变来调节温度，但在织物加工过程中气体易从纤维逸出；此外还有将水合盐等填充到纤维的中空部分，利用其在室温下的熔融和结晶来吸热与放热，实现温度调节作用。利用这种方法制成的调温纺织品使用稳定性差，热能存储容量下降明显，且不适用于大规模生产。
(3)纺丝法，是以相变材料为芯材，普通成纤聚合物为壁材，通过熔融复合纺丝制得复合调温纤维，而低温相变材料熔融粘度低，可纺性较差；随着科学技术的不断发展，静电纺丝技术也已初步用于蓄热调温相变材料的制备，但这种方法制备的复合调温纤维储热容量较低，且很难规模化生产。
(4)微胶囊法，即首先制备相变微胶囊，并将这些具有蓄热功能的微胶囊附着在织物表面，从而制得调温纺织品；也可将蓄热调温微胶囊采用浸渍法对非织造布进行整理(二浸二轧)，然后预烘、烘焙制得可调温蓄热的非织造布，用作坐垫材料、窗帘面料和墙布等。
虽然长链烷烃类相变材料具有事宜的相变温度和较高的相变潜热，但目前以长链烷烃类相变材料为囊芯制备微胶囊的研究相对较少，主要是因为长链烷烃类相变材料价格昂贵、成本高且需进口，且制备的相变微胶囊粒径较大、分布不均匀。因此本发明选用一种工业级十八烷为芯材，以脲醛树脂为壁材通过原位聚合法制备相变微胶囊，这种相变微胶囊具有包覆率高、粒径较小且分布均匀等优点，可将其混入纺丝液中进行纺丝，广泛用于蓄热调温纤维的制备。
发明内容
本发明针对背景技术提出的长链烷烃类相变材料价格昂贵，成本高且需进口的缺陷，选用一种来源广泛、价格成本低廉且具有适宜相变温度和较高相变潜热的工业级十八烷为芯材用于相变微胶囊的制备。以脲醛树脂为壁材，利用原位聚合法制备一种粒径较小且分布均匀的蓄热调温纤维用相变微胶囊。该方法具有制备过程简单、微胶囊形貌结构可控且包覆率较高等优点，可广泛用于蓄热调温纤维、混纺纱线和功能纺织品等领域。
本发明的技术解决方案：一种蓄热调温相变微胶囊的制备过程包括：
(1)将一定配比的尿素与37-40％的甲醛水溶液添加到100ml烧瓶中，用三乙醇胺调节溶液pH至一定值，然后在水浴中搅拌一段时间后，得到脲醛树脂预聚体；
(2)将一定量的乳化剂和交联剂间苯二酚，溶解在300ml去离子水中，然后转移到500ml圆底烧瓶中，不断搅拌并加入一定量的工业级十八烷，然后调节水浴温度至一定值，在一定搅拌速度下乳化得到相变材料乳液；
(3)将步骤(1)中的脲醛树脂预聚体逐滴加入到步骤(2)中的乳液中，然后在搅拌速度为200rpm的条件下用甲酸调节混合液的pH至3-4，再将搅拌速度调为500rpm，反应4h，整个过程保持水浴温度为60-80℃，反应产物经抽滤、30％乙醇洗涤、真空干燥24h后得到干燥的工业级十八烷@脲醛树脂相变微胶囊。
由于采用上述的技术方案，本发明具有如下优点和效果：
1、通过调节预聚体缩聚pH值、缩聚温度和反应时间，催化剂用量，表面活性剂用量，固化时间，预聚体浓度等可实现工业级十八烷@脲醛树脂相变微胶囊的形貌结构可控制备。
2、脲醛树脂对工业级十八烷的包覆率较高，最高可达90％，因此制得的相变微胶囊储热容量高，相变温度适宜，可以有效的起到蓄热调温作用。
3、本发明所制备的相变微胶囊粒径较小约为1.5-4μm且分布均匀，可均匀分散在纺丝液进行纺丝制备蓄热调温纤维，进而与其他纤维进行混纺，制备具有温度调节功能的混纺纱线。
附图说明
以下结合附图进一步说明本发明：
图1为本发明实施例1制备的相变微胶囊扫描电子显微镜图；
图2为本发明实施例1制备的相变微胶囊粒径分析图；
图3为本发明实施例1制备的相变微胶囊的热能存储/释放曲线；
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1：
如图1至图3所示，取3g尿素，10ml去离子水和14g甲醛溶液添加到100ml烧瓶中，用三乙醇胺调节溶液pH值至8.5，然后在75℃水浴中以300r/min的搅拌速度反应1h，得到脲醛树脂预聚体；将0.6g的乳化剂失水山梨糖醇三油酸酯(Span85)和4.5g交联剂间苯二酚，溶解在300ml去离子水中，然后转移到500ml圆底烧瓶中，不断搅拌并加入一定量的工业级十八烷(芯壁质量比1:1)，然后调节水浴温度至70℃，在300r/min搅拌速度下乳化得到相变材料乳液；将脲醛树脂预聚体逐滴加入到乳液中，然后在搅拌速度为200rpm的条件下用甲酸调节混合液的pH至3-4，再将搅拌速度调为500rpm/min，反应4h，整个过程保持水浴温度为60℃，反应产物经抽滤、洗涤、真空干燥24h后得到干燥的工业级十八烷@脲醛树脂相变微胶囊。该相变微胶囊粒径分布为2.5-6μm，平均粒径为3.4μm，呈圆球形，熔融温度(Tm)和结晶温度(Tc)大约为30℃和23℃；熔融热焓(ΔHm)和结晶热焓(ΔHc)分别为89.8kJ/kg和91.5kJ/kg。
实施例2：
取3g尿素，10ml去离子水和14g甲醛溶液添加到100ml烧瓶中，用三乙醇胺调节溶液pH值至8.5，然后在75℃水浴中以300r/min的搅拌速度反应1h，得到脲醛树脂预聚体；将0.6g的OP-10乳化剂和4.5g交联剂间苯二酚，溶解在300ml去离子水中，然后转移到500ml圆底烧瓶中，不断搅拌并加入一定量的工业级十八烷(芯壁质量比2:1)，然后调节水浴温度至70℃，在300r/min搅拌速度下乳化得到相变材料乳液；将脲醛树脂预聚体逐滴加入到乳液中，然后在搅拌速度为200rpm的条件下用柠檬酸调节混合液的pH至3，再将搅拌速度调为500rpm/min，反应3h，整个过程保持水浴温度为70℃，反应产物经抽滤、洗涤、真空干燥24h后得到干燥的工业级十八烷@脲醛树脂相变微胶囊。
实施例3：
取3g尿素，10ml去离子水和14g甲醛溶液添加到100ml烧瓶中，用三乙醇胺调节溶液pH值至8.5，然后在75℃水浴中以300r/min的搅拌速度反应1h，得到脲醛树脂预聚体；将0.6g的乳化剂Tween 80和4.5g交联剂间苯二酚，溶解在300ml去离子水中，然后转移到500ml圆底烧瓶中，不断搅拌并加入一定量的工业级十八烷(芯壁质量比2:1)，然后调节水浴温度至70℃，在300r/min搅拌速度下乳化得到相变材料乳液；将脲醛树脂预聚体逐滴加入到乳液中，然后在搅拌速度为200rpm的条件下滴加氯化铵进行酸化，使得pH值减少至4.5，再滴加柠檬酸使pH继续降至2，搅拌速度为300rpm/min，反应3h，整个过程保持水浴温度为80℃，反应产物经抽滤、洗涤、真空干燥24h后得到干燥的工业级十八烷@脲醛树脂相变微胶囊。以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种蓄热调温相变微胶囊的制备方法，其特征在于，以工业级十八烷为芯材，以脲醛树脂为壁材，采用原位聚合法制得相变微胶囊，制备过程如下：
(1)将一定配比的尿素与37-40％的甲醛水溶液添加到100ml烧瓶中，用三乙醇胺调节溶液pH至一定值，然后在水浴中搅拌一段时间后，得到脲醛树脂预聚体；
(2)将一定量的乳化剂和交联剂间苯二酚，溶解在300ml去离子水中，然后转移到500ml圆底烧瓶中，不断搅拌并加入一定量的工业级十八烷，然后调节水浴温度至一定值，在一定搅拌速度下乳化得到相变材料乳液；
(3)将步骤(1)中的脲醛树脂预聚体逐滴加入到步骤(2)中的乳液中，然后在搅拌速度为200rpm的条件下用甲酸调节混合液的pH至3-4，再将搅拌速度调为500rpm，反应4h，整个过程保持水浴温度为60-80℃，反应产物经抽滤、30％乙醇洗涤、真空干燥24h后得到干燥的工业级十八烷@脲醛树脂相变微胶囊。
2.根据权利要求1所述的一种蓄热调温相变微胶囊的制备方法，其特征在于，所用的芯材为工业级十八烷，来源广泛、成本低廉、相变温度适宜且相变潜热较高。
3.根据权利要求1所述的一种蓄热调温相变微胶囊的制备方法，其特征在于，通过调节预聚体缩聚pH值、缩聚温度和反应时间，催化剂用量，表面活性剂用量，固化时间，预聚体浓度和乳化剂含量等实现工业级十八烷@脲醛树脂相变微胶囊的形貌结构可控制备。
4.根据权利要求1所述的一种蓄热调温相变微胶囊的制备方法，其特征在于，工业级十八烷的质量与壁材脲醛树脂的质量比为1～9:1，制备的相变微胶囊所含工业级十八烷的含量高，平均粒径1.5-4μm，相变温度～30℃，相变潜热较高。
5.根据权利要求1所述的一种蓄热调温相变微胶囊的制备方法，其特征在于，所制备的相变微胶囊可广泛应用于蓄热调温纤维、功能纺织品、室内装饰用材料和建筑节能材料等众多领域。
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