CN107556970B - 一种无机金属氧化物包覆水合盐的相变微胶囊及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于相变材料技术领域，具体涉及一种通过反溶剂及溶胶‑凝胶工艺制备无机金属氧化物包覆水合盐的相变微胶囊制备方法。所述方法包括以下步骤：（1）在室温及搅拌条件下，将具有M(OR)_n结构的金属醇盐加入到溶剂中形成均相溶液A；然后将水合盐、催化剂加入到蒸馏水中配制成含催化剂的饱和盐溶液B。（2）将溶液B缓慢滴加到溶液A中；滴加完毕，调低搅拌速率持续反应2‑10h得相变微胶囊悬浮液。（3）悬浮液经离心分离，并淋洗、干燥得产品；滤液中的反溶剂可蒸馏回收。本发明所得相变微胶囊，具有工艺简单、环保、产物相变焓大、导热系数高的特点；可解决水合盐腐蚀、结晶水散失、改善过冷、相分离等问题，应用于建筑节能中相变蓄热的场合。

Description

一种无机金属氧化物包覆水合盐的相变微胶囊及制备方法

技术领域

本发明属于相变材料技术领域，具体涉及一种通过反溶剂及溶胶-凝胶工艺制备无机金属氧化物包覆水合盐的相变微胶囊及其制备方法。

背景技术

无机水合盐以其来源广、价格低廉、温度可调以及体积能量密度、热导率高等特性，作为相变蓄热材料（PCMs）广泛应用于建筑节能领域。然而，结晶水合盐PCMs存在过冷、相分离、腐蚀以及结晶水易散失等问题，限制其应用。将水合盐PCMs 胶囊化制备成具有核壳结构的相变微胶囊是有效解决PCMs 实用化的重要途径之一。它不仅解决腐蚀及水分散失等问题，而且由于粒径小，比表面积大，壳层薄，可显著提高其热传导速率，最大限度地降低、甚至解决其过冷、相分离等问题。对无机水合盐芯材的包覆（胶囊化）、通常选用有机高聚物作为壳层。有机壳材韧性好、密封性高；但易燃、不耐温、导热率低；且与建筑材料相容性差。若选用无机金属氧化物（SiO₂、Al₂O₃、TiO₂等）作壳材，可弥补有机壳材的不足。然而，以无机氧化物为壳材、对水合盐芯材胶囊化（水合盐@无机金属氧化物）的研究，到目前为止，文献报道极少。 Zhang J 等报道，采用原位共沉积法，以3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTS）为催化剂及反应单体，与TEOS共水解，制备出碗状核壳结构的Na₂SO₄·10H₂O@SiO₂纳米相变胶囊。其相变潜热高（180.7 J/g），且很好的抑制了芯材的相分离及过冷。该工艺主要存在使用大量有机溶剂（环己烷）、乳化剂（SDS）、存在环保及乳液分散性差等系列问题。专利文献报道了一种磷酸盐无机纳米相变储能材料及其制备方法，其中壳材采用正硅酸乙酯, 锆酸四丁酯和硝酸锰水解而成的纳米硅胶、氧化锆、二氧化锰粉混合物, 芯材为无机盐水合物十二水磷酸氢二钠（Na₂HPO₄·12H₂O，DSP）纳米晶粒。制备的胶囊粒径80nm，相变温度34.6℃, 相变焓高于260J/g。但该工艺没有涉及粒径测试（粒度分析）、焓值测定（DSC分析），且合成胶囊相变温度为34.6℃，低于纯十二水磷酸氢二钠的相变温度（37℃），严格来说，纳米胶囊芯材除了DSP外，可能含有多余的水分。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提供一种简便而环保的制备无机金属氧化物包覆水合盐的相变微胶囊制备方法；该胶囊可应用于建筑节能领域相变蓄热。

本发明基于金属氧化物具有较高热导率、较好热稳定性特点，以及水合盐相变焓高、存在腐蚀、过冷、相分离以及结晶水以散失等问题，提出以金属氧化物为壳层、水合盐PCMs为芯材，通过反溶剂及溶胶-凝胶工艺制备相变微胶囊的设计思路。对于金属氧化物壳层的合成，以金属醇盐为先驱体，在碱性条件催化下经溶胶-凝胶反应而成；而水合盐芯材，由于工业水合盐或无水盐，其粒径大（μm级以上），很难直接对其包覆或包覆不完全；为此提出反溶剂工艺。反溶剂对水合盐来说不溶，但可溶于先驱体，并与水互溶，通过将饱和盐溶液加入到反溶剂，形成过饱和盐溶液，作为驱动力，析出粒径较小（纳米级）的水合盐晶粒，以此为核，经溶胶-凝胶反应生成无机金属氧化物包覆水合盐相变胶囊。

本发明通过以下具体技术方案实现：

一种通过反溶剂及溶胶-凝胶工艺制备无机氧化物包覆水合盐的相变微胶囊制备方法，包括以下步骤：

（1）在室温及搅拌条件下，将具有M(OR)_n结构的金属醇盐（先驱体）加入到溶剂中形成均相溶液A；同样条件下，将水合盐、催化剂加入到蒸馏水中配制成含催化剂的饱和盐溶液B。

（2）在密闭、恒温水浴及较高搅拌速率下，将溶液B缓慢滴加到溶液A中；滴加完毕，调低搅拌速率持续反应2-10h得相变微胶囊悬浮液。

（3）悬浮液经离心分离，并先后用反溶剂、蒸馏水及反溶剂淋洗，产物(滤渣)低温干燥得产品；滤液中的反溶剂可蒸馏回收。

所述先驱体为 M(OR)_n结构的金属醇盐。其中，M为价态为n的金属如硅、钛、铝等，R表示烷基如甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基，异丁基等。考虑到醇盐在反溶剂中的水解速率，优选含甲基、乙基、丙基、异丙基的金属硅、铝醇盐。

所述溶剂为能溶于先驱体、与水互溶，但不溶与水合盐的溶剂，称之为反溶剂。包括醇类、醚类等。所述醇类包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、异丁醇、乙二醇和丙三醇中的至少一种；所述的醚类包括乙醚和丁醚中的至少一种。考虑到反溶剂粘度、挥发性等因素，优选甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇以及丁醚等溶剂。

所述水合盐包括单盐如硫酸钠（Na₂SO₄·10H₂O）、碳酸钠（Na₂CO₃·10H₂O）、磷酸氢二钠（Na₂HPO₄·12H₂O）、氢氧化钡（Ba(OH)₂·8H₂O）、氯化钙（CaCl₂·6H₂O）及醋酸钠（NaOAc·3H₂O）等；复盐如硫酸铝钾（KAl(SO₄)₂·12H₂O）、硫酸铝铵（NH₄Al(SO4)₂·12H₂O）等；

上述水合盐(工业级)中，作为芯材，由于粒径大，难以直接被金属氧化物壳材包覆。采用添加反溶剂工艺来制备粒径更小的水合盐纳米晶粒。添加反溶剂是利用其与水互溶、与水合盐不溶的原理来降低水合盐在水中的溶解度，从而析出纳米晶粒。当水合盐中结晶水数多，或在水中溶解度较小时，在反溶剂作用下，溶解度降低或本身浓度小，析出的晶核生长速率小，易形成粒径细小的纳米晶粒，从而有利于胶囊的包覆。因此，优选结晶水数较多、溶解度较小的水合盐，如Na₂HPO₄·12H₂O（DSP）、KAl(SO₄)₂·12H₂O、Ba(OH)₂·8H₂O等。

所述催化剂为碱性物质，包括强碱如氢氧化钠、氢氧化钾等；弱碱如氨水、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等。本发明使用的金属氧化物壳材是通过金属醇盐的溶胶-凝胶过程来合成的。为促进反应的进行，通常加入酸性或碱性催化剂。由于酸性催化剂易形成多孔性结构；而碱性催化剂易生成密实的凝胶状结构。因此，选用碱类催化剂。强碱性催化剂，对反应体系的pH值影响较大，胶囊壳层生成速率快，易形成表面粗糙、粒径分布不均的胶囊，因此，优选弱碱类催化剂如氨水、乙醇胺、二乙醇胺等。

为了配制碱性饱和盐溶液B，考虑到温度波动对盐的溶解度以及工业水合盐稳定性（如吸潮、失水等）的影响，具体实施过程中，可以采用无水盐代替水合盐，并且室温下添加稍过量的水合盐（或无水盐）于水中，经长期搅拌，盐不再溶解（底部有少量颗粒物盐）时，取上层清液即得饱和盐溶液。

所述金属氧化物包覆水合盐的相变微胶囊反应，选用饱和盐溶液与反溶剂的体积比为0.30-1.2；体积比高，饱和盐溶液量多，反溶剂化作用力弱，在过饱和驱动力下，易形成粒径较大、分散不均的水合盐晶粒；体积比太低，溶剂量大，产率低；同时，生成的水合盐中的结晶水会进一步在反溶剂作用下失去部分结晶水；优选0.35-0.9；

其反应物的摩尔配比为：金属醇盐/水合盐/催化剂=1/0.3-1.0/0.5-1.5；这里的水合盐特指饱和盐溶液中经理论计算含有的水合盐，并非是配置前添加的水合盐。换句话说，这里的水合盐特指饱和盐溶液在反溶剂作用下形成的水合盐晶粒（假设100%转化）。金属醇盐与水合盐的比例越小，制备的胶囊核壳比大，胶囊壳层薄，相变焓高；但太薄会包覆不完整或易破裂；金属醇盐与水合盐比例大，胶囊核壳比小；芯材含量小，胶囊相变焓低；同样，金属醇盐与催化剂比例小，醇盐水解缩合反应速率慢，生成的壳材不足以包覆芯材；金属醇盐与催化剂比例大，反应速率快，一方面易形成实心金属氧化物粒子，同时生成的胶囊壳层厚，胶囊相变焓小。优选1/0.35-0.85/0.7-1.2。

反溶剂及溶胶-凝胶工艺制备胶囊的反应，包括水合盐晶粒的形成和先驱体水解-缩聚形成金属氧化物包覆水合盐（形成胶囊的过程）两个过程。不同的反应过程，搅拌速率不同。其中，前者为1000-3500rpm，在较高速率下搅拌（称之为分散搅拌速率），是为了生成粒径较小、分散稳定的水合盐纳米晶粒；搅拌速率太小，生成的晶粒易发生沉积，使晶粒粒径增大，并沉积在反应体系底部；搅拌速率太高，晶粒粒子间相互碰撞团聚的几率增大，粒子间发生兼并，使粒径增大。优选12000-3000rpm，后者为200-800rpm（称之为反应搅拌速率），较低的反应搅拌速率是为了体系的稳定以及生成的金属氧化物粒子在水合盐晶粒表面均匀沉积。搅拌速率太小，离心力不足以使得晶粒长时间稳定在体系中，晶粒容易沉降，造成金属氧化物包覆不均匀进而造成包覆效率的降低。当反应搅拌速率太快，生成的金属氧化物粒子难以及时地在晶体表面沉积，其包覆率反而下降；优选300-600rtm。

所述胶囊制备的反应温度为10-40℃，反应时间2-10h；在该体系里，反应温度即水浴温度；反应温度低，易于形成粒径较小的水合盐晶粒，但对金属醇盐的水解缩聚来说，反应速率小，使反应时间较长，生产效率低；反应温度高，一方面水合盐晶化增长速率快，粒子间易团聚，使得水合盐晶粒大，不利于包覆；同时，较高的反应温度易使制备的水合盐晶粒在反溶剂作用下失去部分结晶水，从而得不到目标产物；同样，反应时间短，生成的金属氧化物不足以包覆水合盐芯材，包覆不完整；反应时间过长，工作效率低，同时，胶囊壳层增厚，胶囊相变焓小；因此，优选20-30℃；3-7h。

本发明方法基于以下工作原理：

首先，溶剂又被称为反溶剂。由于反溶剂能溶于金属醇盐、与水互溶，但不溶于水合盐。当将饱和盐溶液加入到反溶剂中时，由于反溶剂化作用，能显著减小盐在水中的溶解度，使饱和盐溶液变成过饱和盐溶液，处于亚稳态，促使水合盐晶粒析出（芯材）。当含水合盐芯材的饱和盐溶液B加入到含反溶剂的溶液A中时，溶液B立即变成过饱和溶液，形成水合盐析出的驱动力，析出水合盐纳米晶粒（芯材）。

其次，反溶剂及溶胶-凝胶工艺下相变微胶囊反应。该反应的整个过程分为溶胶、吸附、凝胶、成膜四个阶段。具体来说，溶液A中的先驱体，在溶液B中的碱催化剂作用下，水解形成含端羟基、带负电荷的金属氧化物溶胶（活性中间体），易被水合盐纳米晶粒所吸附，并以晶粒为核心，活性中间体失水进行原位缩合（形成无孔凝胶）并沉积在晶粒表面（成膜），形成无机金属氧化物包覆水合盐相变微胶囊（水合盐@金属氧化物）。

相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：（1）本发明通过反溶剂工艺，即使用水合盐非良溶剂。当含水合盐的饱和溶液加入到反溶剂时，由于反溶剂与溶剂水强的极性作用，相当于削弱水合盐与水分子的作用力，即可降低水合盐的溶解度，增加水合盐溶液的过饱和驱动力，因此，反溶剂能快速促进水合盐晶核产生以及纳米水合盐晶粒的生成；同时，由于反溶剂能溶于金属醇盐，在催化剂作用下，促使其发生溶胶-凝胶反应，形成的金属氧化物能原位沉积在水合盐晶粒表面，形成相变胶囊；因此，反溶剂及溶胶-凝胶工艺的协同使用，体现出本发明方法工艺创新性；

（2）工艺简便、环保。反溶剂及溶胶工艺，制备相变微胶囊，工艺成熟，简单，同时，使用的醇、醚类反溶剂，可大量回收，利于环保。

（3）性能优越。制备的无机金属氧化物包覆水合盐相变微胶囊，具有相变焓高、导热系数大，能与建筑材料相容，因此可广泛应用于建筑节能领域。

附图说明

图1为实施例1-3所得相变胶囊DSC曲线。

图2为实施例1-3 所得相变胶囊XRD谱。

图3为实施例1,4,5 在不同反溶剂下所得水合盐晶粒大小及分布。

图4实施例1-3 所得相变胶囊导热系数。

图5为实施例1 所得相变胶囊SEM图。

图6为实施例1 所得相变胶囊TG曲线。

具体实施方式

以下实施例所得样品（包括乳液）结构表征及性能测试：

美国Microtrac公司NPA150纳米粒度仪测量反溶剂下所得水合盐晶粒大小及分布；用日本理学D/A 型X-射线衍射(XRD)分析仪测试胶囊的XRD谱；Hitachi S-3700N 扫描电子显微镜观察样品的形貌；美国TA公司DSC Q20差示扫描量热仪测定固体样品的相变温度、焓值；德国Netzsch公司TG209热重分析仪测定样品的TG曲线；瑞典Hot Disk公司的热常数分析仪测试胶囊的导热系数。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

为了便于比较，依照实施例1步骤，在步骤（1）中不加正硅酸乙酯；步骤(2)中在分散搅拌速率下滴加B溶液结束；步骤（3）真空抽滤，不洗涤，直接低温干燥，得到水合盐纳米晶粒，作为纯芯材，用于各种测试。同样，为得到纯金属氧化物壳材（实心粒子），除步骤（2）不加水合盐外，其余步骤及工艺与实施例1相同。

实施例1 （1）室温下，在一个带数显磁力搅拌的水浴锅中，放入一个250ml带磁子、滴液漏斗的三口烧瓶，往烧瓶中加入100mL乙醇（反溶剂），然后滴加正硅酸乙酯（TEOS）5mL，经磁力搅拌得均相溶液A；同样，室温下，往50mL烧杯中加入10g十二水磷酸氢二钠（DSP）粉末（添加DSP质量略高于室温下其溶解度所需质量），然后加入30mL去离子水溶解，并滴加1mL氨水，密封及磁力充分搅拌，当烧杯中的DSP固体不再溶解时，取上层无色透明清液得碱性DSP饱和溶液B。

（2）调节含溶液A装置的水浴温度（25℃）及分散搅拌速率（2000rpm），在密闭条件下，按照B饱和溶液与反溶剂的体积比为0.38，缓慢滴加B溶液（38mL）于A溶液中，可观察到溶液立即变成浑浊悬浮液，表DSP纳米晶粒的生成，当滴加完毕，调节反应搅拌速率至500rpm，并持续反应4h，使TEOS发生溶胶-凝胶反应，并在DSP晶核表面原位沉积。

（3）将反应后的悬浮液真空抽滤，滤渣分别用乙醇、蒸馏水、乙醇各淋洗三次，洗涤后的产物转移到低温干燥箱中脱除表面溶剂得产品；洗涤后的滤液采用蒸馏法回收反溶剂乙醇。

实施例2-8

由于实验过程完全相同，只是实验条件变化，因此，实施例2-8以表格方式列出（见表1）。

表1 实施例2-8金属氧化物包覆水合盐相变微胶囊制备工艺条件

。

图1为实施例1-3所得SiO₂包覆DSP相变微胶囊的DSC曲线。由图1可以看出，通过反溶剂制备的纳米晶粒，其熔点为36.77℃，相变焓为202.6J/g, 表明制备的纳米晶粒确实为DSP，且具有相当高的相变焓。而实施例1-3中制备的相变微胶囊，DSC测试结果显示，其熔化温度分别为36.42,37.26,36.88℃，对应地，其相变焓分别为158.3, 143.9, 126.6J/g。表明合成的相变胶囊囊芯确实为DSP，并且它们具有较高的相变焓值。

图2为实施例1-3所得SiO₂包覆DSP相变微胶囊的XRD谱。由图2可以看出，通过溶胶-凝胶法合成的金属氧化物（SiO₂）为无定型结构的壳材，而实施例1-3的XRD谱图中，与DSP芯材相比，它们的特征衍射峰位置几乎相同，表明二氧化硅能对DSP进行很好的包覆；同时可以看出，实施例1-3的衍射峰强度明显降低，正好间接证明了二氧化硅对DSP芯材的保护作用。

图3为实施例1，4，5 在不同反溶剂下制备的水合盐纳米晶粒的粒径大小及分布。由图3可以看出，以乙醇、甲醇、丙醇为反溶剂，它们均能得到DSP纳米晶粒，其粒径分布较窄（300-2000nm），它们的平均粒径（D50）分别为605nm,840nm,950nm。不同溶剂比较，由于溶剂化作用不同，得到的纳米晶粒粒径有差异，随着溶剂中碳原子增加，其粒径增加。由于它们均为纳米晶粒，因此，以其为核心，金属氧化物在其表面能均匀的沉积，从而形成相变微胶囊。

图4为实施例1-3 所得相变胶囊的导热系数。由图4可以看出，以水合盐DSP作为无机PCMs芯材，以及金属氧化物SiO₂作为壳材，它们具有较高的导热系数，分别为0.4951，0.2849 w/m·k；因此，由它们组合起来形成的相变胶囊，同样具有较高导热系数，如实施例1-3相变胶囊，它们的导热系数分别为0.3838 ,0.3519，0.3266 w/m·k。本发明制备的新型相变微胶囊，与传统有机壳材(0.15 w/m·k)和有机PCMs芯材（一般0.2 w/m·k）比较，其热传导能力明显增强，有利于相变蓄热的建筑节能。

图5 为实施例1的SEM图。由图5可以看出，合成的相变胶囊为扁平的圆柱体形态，粒径分布不太均匀，其粒径约6-8μm。同时可以看到，较小的二氧化硅小粒子分散在胶囊表面。

图6 为实施例1的热失重曲线，由图6中TG曲线可以看出，纯DSP晶粒，热失重下很容易失去结晶水，不到50℃就开始失去结晶水，在100℃左右已失去全部结晶水。而合成的相变微胶囊，由于SiO₂壳层的保护，其失去水分的起始温度明显高得多（高于100℃）。由它们的DTG（微分热失重）可以看出，它们热失重速率明显不同，DSP晶粒失重速率快得多。其最大失重速率温度也不同。纯DSP晶粒为77℃，而实施例1相变胶囊为136℃。上述结果表明，合成的金属氧化物包覆水合盐胶囊，金属氧化物能对水合盐芯材很好的保护，防止其结晶水散失。

Claims (4)

1.一种无机金属氧化物包覆水合盐的相变微胶囊，其特征在于，包括芯材和壁材，所述芯材为水合盐纳米晶粒，所述壁材为先驱体在碱性条件催化下经溶胶-凝胶反应而得；

所述相变微胶囊的制备方法，包括如下步骤：

（1）在室温及搅拌条件下，将先驱体加入到溶剂中形成均相溶液A；同样条件下，将水合盐、催化剂加入到蒸馏水中配制成含催化剂的饱和盐溶液B；

（2）在密闭、恒温水浴及分散搅拌下，将溶液B滴加到溶液A中；滴加完毕，调低搅拌速率持续反应2-10h得相变微胶囊悬浮液；

（3）悬浮液经离心分离，并先后用溶剂、蒸馏水及溶剂淋洗，过滤后滤饼低温干燥得产品；

所述水合盐为Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O、Ba(OH)₂·8H₂O、CaCl₂·6H₂O、NaOAc·3H₂O、KAl(SO₄)₂·12H₂O、NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O中的一种；所述先驱体为 M(OR)_n结构的金属醇盐，其中，M为价态为n的硅、铝、钛中的一种，R为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基，异丁基中的一种;

所述溶剂为能与先驱体、与水互溶，但不溶于水合盐的溶剂，选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、异丁醇、乙二醇、丙三醇、乙醚和丁醚中的至少一种;

所述催化剂为碱性物质，选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的任一种;

所述饱和盐溶液B与溶剂的体积比为0.30-1.2：1；其反应物的摩尔配比为：先驱体/水合盐/催化剂=1/0.3-1.0/0.5-1.5。

2.根据权利要求1所述的相变微胶囊，其特征在于，步骤（2）中分散搅拌速率为1000-3500rpm，后期反应搅拌速率为200-800rpm。

3.根据权利要求1所述的相变微胶囊，其特征在于，所述恒温水浴温度为10-40℃。

4.根据权利要求1所述的相变微胶囊，其特征在于，步骤（3）中的溶剂通过蒸馏回收再利用。

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