CN107597031B

CN107597031B - 一种微胶囊相变材料的制备方法及装置

Info

Publication number: CN107597031B
Application number: CN201711082958.XA
Authority: CN
Inventors: 付真金; 代丽; 易勇; 毕鹏
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: CN107597031A

Abstract

本发明提供了一种微胶囊相变材料的制备方法及装置。所述制备方法包括：将外通道出口与高压电源连接；将位于外通道出口下方且距离外通道出口预定距离的接收单元接地，以在外通道出口至接收单元之间形成静电场；将液态的相变材料注入内通道并从内通道出口处喷出，将硅溶胶注入外通道并从外通道出口处喷出，外通道与内通道同轴(垂直轴)且内通道位于外通道内；内通道出口和外通道出口喷出的电喷液经静电场落入接收单元的接收液中；加热接收液，使得电喷液凝胶化；过滤和干燥得到微胶囊相变材料。所述制备装置包括内通道、外通道、接收单元和高压电源。本发明能够制备大小及包覆率可控的微胶囊相变材料。

Description

一种微胶囊相变材料的制备方法及装置

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，更具体地讲，涉及一种高压静电喷雾法制备二氧化硅包覆有机相变微胶囊材料。

背景技术

相变材料是利用物质发生相变时吸收或放出的热来进行能量的存储和供应，又叫相变储能材料。有机相变材料的相变温度适中、相变潜热大、无过冷现象，被广泛应用在智能保温材料中。微胶囊相变材料是利用微胶囊技术，在相变材料外面包覆一层高分子材料或无机材料，形成核壳结构的相变材料。将有机相变材料包覆在无机材料中，形成微胶囊相变材料，不仅可以提高其热稳定性能和阻燃性能，而且在相变过程中液体有机相变材料的形态可以保持不变，有机相变材料的化学性能和物理性能得到保护，延长了其使用寿命。微胶囊相变材料不仅具有相变材料的优点还具有自己独特的优点，被广泛应用在航天、航空，建筑材料及日常生活用品中。

微胶囊相变材料在制备过程中常用的方法有：原位聚合法、悬浮聚合法、复凝聚法、界面聚合法和细乳液聚合法等。虽然这些制备微胶囊的方法不同，但本质上都属于乳液聚合的类型，只是囊壁材料的聚合方式不同而已，即各种方法在制备过程中都要通过搅拌和加乳化剂使得相变材料变成乳粒，囊壁材料单体根据单体聚合特征再进行不同方法的聚合包覆。采用这些方法制备的微胶囊相变材料，单次可以得到数量较多的微胶囊，但是微胶囊颗粒大小分布广，有机溶剂消耗大、浪费也多。目前，微胶囊相变材料的囊壁材料通常采用有机高分子材料，如密胺树脂、尿醛树脂、三聚氰胺脲醛树脂、聚酰胺和聚苯乙烯等，虽然有机高分子材料容易定型，但存在热导率低和阻燃性能低的问题。而采用无机材料作为囊壁材料可以提高材料的热导率和阻燃性。在无机材料的选择中，二氧化硅制备工艺简单，价格低廉，化学性能和物理性能稳定而受到大家广泛的关注。

目前，二氧化硅包覆有机微胶囊相变材料研究不多，而且制备方法主要是乳液法，即先将相变材料、硅溶胶和乳化剂搅拌分散成细小乳粒，再通过调节溶液pH值使得硅溶胶凝胶化，对相变材料进行溶胶-凝胶法或原位聚合方式的包覆，微胶囊的大小主要通过搅拌速度进行调节。这种制备方法操作步骤多，而且微胶囊大小和有机相变材料包覆率不可控。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的在于提供一种微胶囊大小和包覆率可控的微胶囊相变材料制备方法。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种微胶囊相变材料的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将外通道出口与高压电源连接；将位于外通道出口下方且距离外通道出口预定距离的接收单元接地，以在外通道出口至接收单元之间形成静电场；将液态的相变材料注入内通道并从内通道出口处喷出，将硅溶胶注入外通道并从外通道出口处喷出，外通道与内通道同轴且内通道位于外通道内，所述轴沿垂直方向延伸；内通道出口和外通道出口喷出的电喷液经所述静电场落入接收单元的接收液中；加热接收液，使得电喷液凝胶化；过滤和干燥得到微胶囊相变材料。

本发明的另一方面提供了一种微胶囊相变材料的制备装置，所述制备装置包括内通道、外通道、接收单元和高压电源，其中，外通道的出口与高压电源连接；内通道与外通道同轴且内通道位于外通道内，所述轴沿垂直方向延伸；接收单元设置在外通道出口下方且距离外通道出口预定距离处，接收单元接地以在外通道出口至接收单元之间形成静电场；内通道出口和外通道出口喷出的电喷液经所述静电场落入接收单元的接收液中。

在本发明的一个示例性实施例中，所述制备方法通过控制液态的相变材料在内通道中的流速、高压电源的电压、所述预定距离以及内通道和外通道的直径比，以使外通道中的硅溶胶材料通过剪切力、表面张力和静电力将内通道中的相变材料剪切成液滴并包覆在里面。

在本发明的一个示例性实施例中，所述相变材料在内通道中的流速与所述硅溶胶在外通道中的流速比值可以为0.1～1。

在本发明的一个示例性实施例中，所述内通道出口和外通道出口的横截面位于同一水平面。

在本发明的一个示例性实施例中，所述内通道和所述外通道为管状，所述内通道的横截面可以为圆形，所述外通道的横截面可以为环形。

在本发明的示例性实施例中，所述内通道和所述外通道的内径比值为0.2～0.6。

在本发明的一个示例性实施例中，所述高压电源的电压为4kV～12kV。

在本发明的一个示例性实施例中，所述接收单元包括放置于距离外通道出口预定距离且接地银环和位于银环下部用于接收从银环中落下电喷液的接收液，或者放置于距离外通道出口预定距离且接地的接收液。

在本发明的一个示例性实施例中，所述预定距离为3cm～10cm。

在本发明的一个示例性实施例中，所述接收液在50℃～80℃恒温加热3h～5h。

在本发明的一个示例性实施例中，在50℃～80℃条件下干燥10h～24h。

在本发明的一个示例性实施例中，所述微胶囊相变材料的直径大小为10μm～100μm。

在本发明的一个示例性实施例中，所述相变材料包括C₈～C₁₆的烷烃、脂肪酸及其酯类。

在本发明的一个示例性实施例中，所述制备方法还可以包括将脂肪酸和酯类溶解在乙醇溶液中以形成液态的相变材料。

在本发明的一个示例性实施例中，所述接收液可以为水溶液，例如蒸馏水。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：制备的微胶囊相变材料大小可控，相变材料包覆率可控，能制备单分散性高的微胶囊相变材料。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是本发明示例性实施例的微胶囊相变材料的制备装置的结构示意图。

图2是图1的仰视图。

附图标记说明：

1-内通道，2-外通道。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例和附图来详细说明本发明的微胶囊相变材料的制备方法及装置。

针对现有方法制备微胶囊相变材料的颗粒分布广，大小不可控，有机相变材料包覆率不可控。本发明提出了用硅溶胶作为微胶囊囊壁材料的前驱体，采用高压静电喷雾技术通过自制同轴环管微通道模板制备了大小及包覆率可控、单分散性高的微胶囊相变材料。

图1是本发明示例性实施例的微胶囊相变材料的制备装置的结构示意图。图2是图1的仰视图。如图1和图2所示，本发明一方面示例性实施例的微胶囊相变材料的制备装置包括内通道1、外通道2、接收单元(未示出)和高压电源(未示出)，其中，外通道2的出口与高压电源连接；内通道与外通道同轴且内通道位于外通道内，内通道出口和外通道出口的横截面位于同一水平面，轴沿垂直方向延伸；接收单元设置在外通道出口下方且距离外通道出口预定距离处，接收单元接地以在外通道出口至接收单元之间形成静电场；内通道出口和外通道出口喷出的电喷液经所述静电场落入接收单元的接收液中。内通道出口和外通道出口的横截面位于同一水平面，更有利于制备出同心微胶囊。

在本实施例中，内通道1和外通道2为管状，外通道2套装于内通道1中，内通道的横截面为圆形，外通道的横截面为环形。优选地，内通道1和外通道2的内径比值为0.2～0.6，内径比值太小，相变材料包覆率太小，内径比值太大，不容易包覆。通道为圆管容易加工，阻力小，并且在电喷过程中可以防止尖端放电。

接收单元包括放置于距离外通道出口预定距离且接地银环和位于银环下部用于接收从银环中落下电喷液的接收液，但本发明不限于此，例如接收单元还可以采用放置于距离外通道出口预定距离且接地的接收液。

本发明另一方面示例性实施例的微胶囊相变材料的制备方法包括：将外通道出口与高压电源连接；将位于外通道出口下方且距离外通道出口预定距离的接收单元接地，以在外通道出口至接收单元之间形成静电场；将液态的相变材料注入内通道并从内通道出口处喷出，将硅溶胶注入外通道并从外通道出口处喷出，外通道与内通道同轴且内通道位于外通道内，内通道出口和外通道出口的横截面位于同一水平面，所述轴沿垂直方向延伸；内通道出口和外通道出口喷出的电喷液经所述静电场落入接收单元的接收液中；也就是说，本实施例中，微通道是竖直放置，垂直向下喷，银环接地，喷口与银环之间形成静电场，电喷液可以从银环中间下来。加热接收液，使得电喷液凝胶化；过滤和干燥得到微胶囊相变材料。

相变材料包括C₈～C₁₆的烷烃、脂肪酸及其酯类。相变材料中有些常温是液态，有些是固态，固态的一般是溶解在乙醇中成为液态再使用，例如，非液体的脂肪酸及酯类需先溶解在乙醇溶液中。

本发明通过控制液态的相变材料在内通道中的流速、高压电源的电压、所述预定距离以及内通道和外通道的直径比，以使外通道中的相变材料通过剪切力、表面张力和静电力将内通道中的硅溶胶剪切成液滴并包覆在里面。在本实施例中，优选地，相变材料在内通道中的流速与硅溶胶在外通道中的流速比值为0.1～1。高压电源的电压为4kV～12kV。预定距离为3cm～10cm。通过调节电压和流速参数来改变微胶囊的大小及单分散性。

本发明以自制的同轴环管微通道为模板，通过调节内、外相流速和电压大小控制微胶囊的大小和包覆率，调节温度控制囊壁材料的凝胶化。其中，控制收集了电喷液的接收液在50℃～80℃恒温加热3h～5h。在50℃～80℃条件下干燥10h～24h。加热和干燥温度主要是控制硅溶胶的凝胶速率，但要防止相变材料的流失。温度太低凝胶速率慢或不容易凝胶，温度太高凝胶速率快，但相变材料容易流失，所以温度主要选择在相变材料凝固点附近。

本发明制备得到的微胶囊相变材料的直径为10μm～100μm。

在本发明的另一个示例性实施例中，微胶囊相变材料的制备方法包括：

(1)针对同轴环管微通道，预包覆的相变材料为C₈～C₁₆的烷烃、脂肪酸及其酯类作为内相，硅溶胶为外相，接收液为水溶液。

(2)通过两个微量注射泵，调节注射流量，将相变材料和硅溶胶分别压入微通道的内外通道。

(3)在电喷口处接高压电源，接收液接地或距喷口一定距离(例如，3cm～10cm)地方放置一个银环接地，调节电压及接地距离进行静电喷射。

(4)电喷结束，对接收液加热、过滤和干燥得到微胶囊相变材料。

下面将结合具体示例来对本发明的微胶囊相变材料的制备方法及装置作进一步的说明。

以下示例中，内外通道的内径比值都是0.25。

示例1

(1)分别用5mL注射器取4mL十二酸和乙醇混合溶液(质量比为3:1)和4mL硅溶胶，将注射器固定在微量注射泵上，通过橡胶管分别与内、外通道连接。

(2)分别调节内、外通道流速均为5μL·min^-1。

(3)调节高压电源电压为6.6kV，接收距离为5cm。

(4)取蒸馏水于培养皿中，低速磁力搅拌接收电喷液，50℃恒温4h。

(5)过滤接收液，80℃干燥24h，得到50μm左右微胶囊相变材料。

示例2

步骤(1)、(3)、(4)同示例1。

步骤(2)调节内、外通道流速分别为10μL·min^-1和10μL·min^-1。

步骤(5)同示例1，但得到70μm左右微胶囊相变材料。

示例3

(1)分别用5mL注射器取4mL十二酸和乙醇质量比为2：1的混合液和4mL硅溶胶，将注射器固定在微量注射泵上，通过橡胶管分别与内、外通道连接。

步骤(2)、(3)、(4)与示例1相同。

步骤(5)同示例1的步骤(5)，但得到2μm左右微胶囊相变材料。

示例4

步骤(1)、(3)、(4)同示例3。

步骤(2)调节微通道流速分别为10μL·min^-1和10μL·min^-1。

步骤(5)同示例1，但得到10μm左右微胶囊相变材料。

示例5

(1)分别用5mL注射器取4mL正十六烷和4mL硅溶胶，将注射器固定在微量注射泵上，通过橡胶管分别与内、外通道连接。

(2)调节内、外通道流速分别为1.5μL·min^-1和15μL·min^-1。

(3)高压电源电压为7.4kV，接收距离为4cm。

步骤(4)、(5)同示例1，但得到50μm左右微胶囊相变材料。

示例6

步骤(1)、(3)、(4)同示例5。

步骤(2)调节微通道流速分别为7μL·min^-1和15μL·min^-1。

步骤(5)同示例1，但得到70μm左右微胶囊相变材料。

示例7

步骤(1)、(2)、(4)同示例6。

步骤(3)调节高压电源电压为6.6kV，接收距离为10cm。

步骤(5)同示例1，但得到100μm左右微胶囊相变材料。

本发明的二氧化硅包覆有机相变材料微胶囊的制备方法采用高压静电喷雾技术，通过同轴微通道制备单分散性高的微胶囊相变材料。制备的相变微胶囊大小可控，可制备10μm～100μm单分散性高的相变微胶囊，相变材料包覆率可控，且工艺简单，易于实现。另外，本发明采用的高压静电喷雾技术设备简单、容易操作，操作步骤少，有机溶剂浪费少，节约资源及制备成本，达到节能降耗和环境保护的作用，适合工业推广。

尽管上面已经结合附图和示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims

1.一种微胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

将外通道出口与高压电源连接；

将位于外通道出口下方且距离外通道出口预定距离的接收单元接地，以在外通道出口至接收单元之间形成静电场；

将液态的相变材料注入内通道并从内通道出口处喷出，将硅溶胶注入外通道并从外通道出口处喷出，外通道与内通道同轴且内通道位于外通道内，所述轴沿垂直方向延伸；

内通道出口和外通道出口喷出的电喷液经所述静电场落入接收单元的接收液中；

加热接收液，使得电喷液凝胶化；

过滤和干燥得到微胶囊相变材料；

其中，所述接收液在50℃～80℃恒温加热3h～5h，在50℃～80℃条件下干燥10h～24h；

所述相变材料包括C₈～C₁₆的烷烃、脂肪酸及其酯类，所述制备方法还包括将脂肪酸和酯类溶解在乙醇溶液中以形成液态的相变材料；

所述高压电源的电压为4kV～12kV。

2.根据权利要求1所述的微胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，内通道出口和外通道出口的横截面位于同一水平面。

3.根据权利要求1所述的微胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，所述微胶囊相变材料的大小为10μm～100μm，所述相变材料在内通道中的流速与所述硅溶胶在外通道中的流速比值为0.1～1，所述预定距离为3cm～10cm，所述内通道和所述外通道为管状，所述内通道的横截面为圆形，所述外通道的横截面为环形，所述内通道和所述外通道的内径比值为0.2～0.6。

4.根据权利要求1所述的微胶囊相变材料的制备方法，其特征在于，所述接收单元包括放置于距离外通道出口预定距离且接地银环和位于银环下部用于接收从银环中落下电喷液的接收液，或者放置于距离外通道出口预定距离且接地的接收液。

5.一种微胶囊相变材料的制备装置，其特征在于，所述制备装置用来实现如权利要求1所述的微胶囊相变材料的制备方法，所述制备装置包括内通道、外通道、接收单元和高压电源，其中，

内通道与外通道同轴且内通道位于外通道内，所述轴沿垂直方向延伸；

接收单元设置在外通道出口下方且距离外通道出口预定距离处，接收单元接地以在外通道出口至接收单元之间形成静电场；

外通道的出口与高压电源连接；

接收单元包括放置于距离外通道出口预定距离且接地银环和位于银环下部用于接收从银环中落下电喷液的接收液，或者放置于距离外通道出口预定距离且接地的接收液；

所述高压电源的电压为4kV～12kV，所述预定距离为3cm～10cm。

6.根据权利要求5所述的微胶囊相变材料的制备装置，其特征在于，所述内通道出口和外通道出口的横截面位于同一水平面。

7.根据权利要求5所述的微胶囊相变材料的制备装置，其特征在于，所述内通道和所述外通道为管状，所述内通道的横截面为圆形，所述外通道的横截面为环形，所述内通道和所述外通道的内径比值为0.2～0.6。