CN109868116A

CN109868116A - 一种强化传热相变微胶囊及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109868116A
Application number: CN201910187273.4A
Authority: CN
Inventors: 胡剑峰; 来鑫; 瞿金清
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2019-06-11

Abstract

本发明属于相变材料技术领域，公开了一种强化传热相变微胶囊及其制备方法和应用。将三聚氰胺和甲醛溶液搅拌混合，加碱调节体系pH值为8～9，然后于65～70℃水浴加热搅拌至体系变透明，加水稀释继续反应20～50min，得到水溶性密胺预聚体；将密胺预聚体与乳化剂和水加入反应器中，室温搅拌直至全部溶解，加酸调节pH值为1～6，再加入芯材相变材料和传热强化剂，搅拌乳化反应，反应完成后加碱调节体系pH值为6～9，得到强化传热相变微胶囊。本发明通过微胶囊技术包覆相变材料和传热强化剂，具有稳定性好，传热效率高的优势。

Description

一种强化传热相变微胶囊及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于相变材料技术领域，具体涉及一种强化传热相变微胶囊及其制备方法和应用。

背景技术

微胶囊技术自上世纪30年代开始就获得了迅猛的发展。目前应用较为成熟的领域为食品、药品、化妆品等。该技术的核心在于将固体、液体或气体包封在惰性壳材内，通过调控制备条件，使其实现靶向性释放的目的。被包封的物质称为芯材，包封芯材实现微囊胶囊化的物质称为壁材。随着人们对微胶囊技术的研究，壳层材料可选用天然高分子、半合成高分子和合成高分子材料。而芯材的范围更广，不仅可为油溶性、水溶性化合物或混合物，而且其状态可为粉末、固体、液体或气体。

相变材料是潜热储热技术的核心。其最大的特点是在温度不变的情况下，通过改变物质相态或晶型结构，并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。正由于相变材料具有对热量的存储或快速释放，吸引了众多研究者纷纷投入大量人力、物力、财力进行研究。

然而目前相变材料大致可以分为两类：有机物和无机物。有机相变材料，如石蜡、脂肪酸和脂肪醇，具有较高的相变潜热150～240J/g。然而，在相变过程中还存在热导率低、可燃性、液体的流动性等问题。虽然研究者研究了多种方法，多孔材料吸附定型法等来抑制其泄漏及提高热导率，但由于过程复杂，导热系数较差，限制了其推广应用。无机相变材料，尤其是水合无机盐，如Na₂SO₄·10H₂O、CaCl₂·6H₂O、NaAc·3H₂O、Na₂HPO4·12H₂O等，它们具有高的相变潜热、不具可燃性和低成本等优点，目前在中、低温储热领域的应用受到越来越多的关注。但是，水合无机盐也存在一些固有的缺点：在相变过程中容易失去结晶水而造成其结晶成核性能差，还存在过冷现象等，从而降低了材料的储、放热性能和循环使用寿命。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种强化传热相变微胶囊的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的强化传热相变微胶囊。

本发明的再一目的在于提供上述强化传热相变微胶囊在相变材料或强化传热冷媒中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种强化传热相变微胶囊的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)将三聚氰胺和甲醛溶液搅拌混合，加碱调节体系pH值为8～9，然后于65～70℃水浴加热搅拌至体系变透明，加水稀释继续反应20～50min，得到水溶性密胺预聚体；

(2)将步骤(1)所得密胺预聚体与乳化剂和水加入反应器中，室温搅拌直至全部溶解，加酸调节pH值为1～6，再加入芯材相变材料和传热强化剂，搅拌乳化反应，反应完成后加碱调节体系pH值为6～9，得到强化传热相变微胶囊。

优选地，步骤(1)中所述三聚氰胺与甲醛溶液中纯甲醛的摩尔比为1:3～1:5。

优选地，步骤(1)和步骤(2)中所述的碱为氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、三乙胺、氨水中的至少一种；步骤(2)中所述的酸为硫酸、盐酸、草酸、醋酸、苯甲酸、甲酸、丁二酸中的至少一种。

优选地，步骤(1)中所述加水的量为甲醛溶液质量的1～3倍。

优选地，步骤(2)中所述密胺预聚体与乳化剂加入的质量比为1:2～1:3。

优选地，步骤(2)中所述芯材相变材料为石蜡、棕榈油、可可油、椰子油、动物油中的至少一种；所述传热强化剂为碳纳米管、氮化铝、碳化硅、石墨、石墨烯中的至少一种。

优选地，步骤(2)中所述芯材相变材料和传热强化剂的质量比为10:1～20:1，芯材相变材料和传热强化剂的加入总量与密胺预聚体的质量比为1:1～2.5:1。

优选地，步骤(2)中所述搅拌乳化反应过程为：先用乳化机在40～50℃及400～2000r/min下搅拌乳化20～50min，然后升温至60～75℃，采用湍流搅拌桨在50～400r/min下搅拌反应3～5h。

一种强化传热相变微胶囊，通过上述方法制备得到。

优选地，所述强化传热相变微胶囊的粒径为0.1～300μm。

上述强化传热相变微胶囊在相变材料或强化传热冷媒中的应用。

进一步地，所述应用过程中，强化传热相变微胶囊在相变材料或强化传热冷媒中的加入质量百分含量为5％～10％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

(1)本发明制备的强化传热相变微胶囊为白色、灰白色或黑色均匀球体，平均粒径0.1～300μm；水分质量含量≤5％；临界应力0～900mN，机械性能好。

(2)本发明通过微胶囊技术包覆相变材料，降低其可燃性和液体流动性，避免相变材料的流失，制备的强化传热相变微胶囊较稳定，更利于储存；且将传热强化剂和相变材料进行包覆，可提高传热效率。

(3)本发明强化传热相变微胶囊的制备方法的原料来源广泛，壳层原料价格便宜。

(4)本发明制备工艺简单，通过工艺技术对微胶囊的力学性能进行控制，可避免贮存、运输、填埋过程中因为微胶囊破裂过多带来的损失，提高循环利用的效率。

(5)本发明所得强化传热相变微胶囊其残余甲醛含量低于5％，环保，对环境无害，可以广泛应用于储传热领域。

附图说明

图1为本发明实施例4所得强化传热相变微胶囊的SEM形貌图。

具体实施方式

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。

本发明制备的相变微胶囊的性能表征方法如下：外观的测试：自然光下观察并记录；平均粒径：马尔文粒径分析仪；残余甲醛的量：用紫外光分光光度计测定；临界应力用微控系统(Model 403A)测定；水分测量按照GB/T 6283-1986执行。

实施例1

本实施例的一种强化传热相变微胶囊的制备，原料配方如表1。

表1

(1)按配方称取三聚氰胺和甲醛溶液，(先加三聚氰胺后加甲醛)于三口烧瓶中搅拌混合，加入适量三乙胺调节体系pH值为8～9，将三聚氰胺甲醛混合溶液于65℃水浴中加热并搅拌，约10min后体系变透明，加入与甲醛溶液等质量的蒸馏水，继续反应50min即可得到透明低分子量的水溶性密胺预聚体。

(2)按配方称取乳化剂阿拉伯树胶粉，与密胺预聚体一起加入到烧杯中，再加入600mL蒸馏水，在室温下低速搅拌直至全部溶解，用稀盐酸调节pH＝4，再将芯材石蜡和石墨加入其中，用乳化机在400r/min转速下40℃乳化20min。再将水浴温度升至60℃，改用湍流搅拌桨在200r/min转速下搅拌。继续反应3h之后，用氢氧化钠溶液(10％)调整pH值＝10，停止反应，得到本实施例的强化传热相变微胶囊。

本实施例中制备的强化传热相变微胶囊为均匀球体，平均粒径150～200μm；水分质量含量≤5％；临界应力1～50mN，机械性能好；残余甲醛含量低于5％。

将本实施例得到的微胶囊按质量比5～20％加入到环氧树脂涂料中，搅拌混合均匀，得到略显浑浊的环氧树脂涂料。

实施例2

本实施例的一种强化传热相变微胶囊的制备，原料配方如表2。

表2

(2)按配方称取乳化剂阿拉伯树胶粉，与密胺预聚体一起加入到烧杯中，再加入600mL蒸馏水，在室温下低速搅拌直至全部溶解，用稀盐酸调节pH＝4，再将芯材棕榈油及石墨烯加入其中，用乳化机在800r/min转速下40℃乳化20min。再将水浴温度升至60℃，改用湍流搅拌桨在300r/min转速下搅拌。继续反应3h之后，用氢氧化钠溶液(10％)调整pH值＝10，停止反应，得到本实施例的强化传热相变微胶囊。

本实施例中制备的强化传热相变微胶囊为黑色均匀球体，平均粒径100～120μm；水分质量含量≤5％；临界应力2～20mN，机械性能好；残余甲醛含量低于5％。

将本实施例得到的微胶囊按质量比5～20％加入到聚氨酯涂料中，搅拌混合均匀，得到略显浑浊的聚氨酯涂料。

实施例3

本实施例的一种强化传热相变微胶囊的制备，原料配方如表3。

表3

(2)按配方称取乳化剂阿拉伯树胶粉，与密胺预聚体一起加入到烧杯中，再加入600mL蒸馏水，在室温下低速搅拌直至全部溶解，用稀草酸调节pH＝4，再将芯材可可油及氮化铝加入其中，用乳化机在1000r/min转速下室温乳化20min。再将水浴温度升至65℃，改用湍流搅拌桨在300r/min转速下搅拌。继续反应3h之后，用氨水(10％)调整pH值＝10，停止反应，得到本实施例的强化传热相变微胶囊。

本实施例中制备的强化传热相变微胶囊为白色或灰白色均匀球体，平均粒径50～80μm；水分质量含量≤5％；临界应力1～15mN，机械性能好；残余甲醛含量低于5％。

将本实施例得到的微胶囊按质量比5～20％加入到聚氨酯预聚体中，搅拌混合均匀，得到略显浑浊的相变聚氨酯材料。

实施例4

本实施例的一种强化传热相变微胶囊的制备，原料配方如表4。

表4

(2)按配方称取乳化剂阿拉伯树胶粉，与密胺预聚体一起加入到烧杯中，再加入600mL蒸馏水，在室温下低速搅拌直至全部溶解，用稀盐酸调节pH＝4，再将芯材椰子油及碳化硅加入其中，用乳化机在1500r/min转速下40℃乳化20min。再将水浴温度升至60℃，改用湍流搅拌桨在400r/min转速下搅拌。继续反应3h之后，用氢氧化钾溶液(10％)调整pH值＝10，停止反应，得到本实施例的强化传热相变微胶囊。

本实施例中制备的强化传热相变微胶囊的SEM形貌图如图1所示。为白色或灰白色均匀球体，平均粒径30～50μm；水分质量含量≤5％；临界应力1～10mN，机械性能好；残余甲醛含量低于5％。

将本实施例得到的微胶囊按质量比5～10％加入到丙烯酸涂料中，搅拌混合均匀，得到略显浑浊的丙烯酸涂料。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种强化传热相变微胶囊的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：

2.根据权利要求1所述的一种强化传热相变微胶囊的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述三聚氰胺与甲醛溶液中纯甲醛的摩尔比为1:3～1:5。

3.根据权利要求1所述的一种强化传热相变微胶囊的制备方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(2)中所述的碱为氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、三乙胺、氨水中的至少一种；步骤(2)中所述的酸为硫酸、盐酸、草酸、醋酸、苯甲酸、甲酸、丁二酸中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种强化传热相变微胶囊的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述加水的量为甲醛溶液质量的1～3倍。

5.根据权利要求1所述的一种强化传热相变微胶囊的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述密胺预聚体与乳化剂加入的质量比为1:2～1:3。

6.根据权利要求1所述的一种强化传热相变微胶囊的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述芯材相变材料为石蜡、棕榈油、可可油、椰子油、动物油中的至少一种；所述传热强化剂为碳纳米管、氮化铝、碳化硅、石墨、石墨烯中的至少一种；所述芯材相变材料和传热强化剂的质量比为10:1～20:1，芯材相变材料和传热强化剂的加入总量与密胺预聚体的质量比为1:1～2.5:1。

7.根据权利要求1所述的一种强化传热相变微胶囊的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述搅拌乳化反应过程为：先用乳化机在40～50℃及400～2000r/min下搅拌乳化20～50min，然后升温至60～75℃，采用湍流搅拌桨在50～400r/min下搅拌反应3～5h。

8.一种强化传热相变微胶囊，其特征在于：通过权利要求1～7任一项所述的方法制备得到。

9.根据权利要求8所述的一种强化传热相变微胶囊，其特征在于：所述强化传热相变微胶囊的粒径为0.1～300μm。

10.权利要求8或9所述的一种强化传热相变微胶囊在相变材料或强化传热冷媒中的应用，其特征在于：所述应用过程中，强化传热相变微胶囊在相变材料或强化传热冷媒中的加入质量百分含量为5％～10％。