CN109880598A - 一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医药食品包装材料技术领域，具体涉及一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料及其制备方法。本发明主要采用N‑异丙基丙烯酰胺、2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸、纳米材料、交联剂、引发剂、促进剂、相变储能剂在特定工艺条件下制成高导热温敏自修复凝胶基相变材料。本发明的高导热温敏自修复凝胶基相变材料无毒无害、安全可靠，导热性好，生产工艺简单，因外力挤压受损后能自修复、延长使用寿命，由于凝胶的温敏性，在最低临界温度下凝胶会发生三维结构坍塌将其吸附的相变材料挤出，可以实现凝胶的重复使用。

Description

一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料及其制备方法

技术领域

本发明属于包装材料技术领域，具体涉及一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料及其制备方法。

背景技术

随着这几年电商物流的迅猛发展，果蔬食品以及医药制品的“最后一公里”冷链运输也受到越来越多人的关注。在运输过程中，要使少量产品保持在一定的温度下，相变材料无疑是最好的选择。相变材料能使产品在一定时间内维持在一定温度条件下，从而延长产品的货架期，降低产品在运输过程中的损失率。相变材料需有合适的相变温度，较高的相变潜热，较长的使用寿命等以满足使用要求。

近年来相变材料的制造技术正在不断发展，配方也在不断改进，由类似水状流动性较好的相变材料已经发展到使用过程中防相泄露的定型相变材料，其特点是将易流动的相变材料与某些具有吸附功能的载体结合，从而降低相变材料在固液变化时的流动性，减少相变材料使用过程中的泄漏问题，但这些载体循环使用性能较差。近年来，由于水凝胶高吸附性能，将水凝胶与相变材料结合成为研究的热点，但凝胶基相变材料在使用过程中导热性较差、易受到外界作用力破坏而影响相变材料的使用性能以及寿命。

近几年来由于纳米改性材料受人们青睐，纳米二氧化钛、氧化石墨烯均具有良好的导热性能，但将纳米二氧化钛改性的相变材料固体状态下相变材料的热导率随着温度的增长逐渐降低。将氧化石墨烯作为骨架支撑二氧化钛纳米粒子制成复合纳米材料，纳米二氧化钛紧密贴附在氧化石墨烯表面，使纳米二氧化钛生成的光生电子转移到氧化石墨烯上，大大提升了电子的转移能力，从而大幅度提高了材料的导热性能，将此纳米复合材料加入到相变材料可以大幅改善材料的导热性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料及其制备方法。本发明的高导热温敏自修复凝胶基相变材料无毒无害、安全可靠，导热性好，生产工艺简单，因外力挤压受损后能自修复延长使用寿命，由于凝胶的温敏性，在最低临界温度下凝胶会发生三维结构坍塌将其吸附的相变材料挤出，可以实现凝胶的重复利用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料及其制备方法，其特征在于，该高导热温敏自修复凝胶基相变材料及其制备方法具有以下特征：

一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料，所述高导热温敏自修复凝胶基相变材料为高导热温敏自修复凝胶基材与相变储能剂的复合体，按质量分数计，所述高导热温敏自修复凝胶基材的配方为：

1）氧化石墨烯-二氧化钛复合纳米材料：1.5%-2%；

2）单体：10.5%-12.4%；

3）交联剂：1%-3%；

4）引发剂：0.1%-0.2%；

5）促进剂：0.05%-0.1%；

6）表面活性剂：0.9%-1.1%；

7）去离子水：82%-85%；

8）泡沫稳定剂：0.1%-0.2%；

9）起泡剂：0.5%-1%；

所述相变储能剂为无机盐类相变材料、离子液体相变材料或脂肪酸类相变材料中的一种。

所述无机盐类相变材料的配方为：按质量分数计，二水合氟化钾70%-75%，去离子水25%-30%。

所述离子液体相变材料的配方为：按质量分数计，丙烯酰胺2%-3%，四丁基溴化铵26%-28%，去离子水68%-70%。

所述脂肪酸类相变材料的配方为：按质量分数计，癸醇82%-85%，月桂酸13%-18%。

所述单体为N-异丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合物。

一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）高导热温敏自修复凝胶基材的制备：

a. 按照配方，称取氧化石墨烯-二氧化钛复合纳米材料分散到去离子水中，用超声波细胞破碎仪超声处理50-60分钟；

b. 加入交联剂、单体搅拌溶解，调节溶液的pH值至4-6；加入适量泡沫稳定剂、引发剂、促进剂、表面活性剂，充分搅拌后加入起泡剂，快速搅拌至充分发泡；

c. 在25-35℃恒温下保温24-36h，反应完成后，将所得的水凝胶取出，并用过量的蒸馏水洗涤3~5次，每次洗涤时浸泡6-8h，随后将所生成的水凝胶真空干燥并烘干，得到干燥的凝胶基材；

（2）高导热温敏自修复凝胶基相变材料的制备：

按质量份数计，将步骤（1）得到的9-12份凝胶基材与88-91份相变储能剂混合并搅拌均匀，充分吸附后即得到自修复凝胶基相变材料。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明将高导热温敏自修复凝胶与相变材料相结合制成定形相变材料，改善了相变材料的释放热速率、降低了相变材料流动性、在一定程度上防止相变材料的泄漏并延长了使用寿命、提高了使用安全性。其中，氧化石墨烯-二氧化钛复合纳米材料具有良好的导热性能，将其制备的凝胶与相变材料结合可以改善相变材料导热性能差的缺点；交联剂硅酸镁锂起到单体大分子链形成网状结构的交联点作用，当凝胶受到损伤后，由于大分子链的扩散作用可以和硅酸镁锂重新结合实现损伤部位的自我修复，延长使用寿命；起泡剂和泡沫稳定剂的加入，控制自修复凝胶在合适的孔径以达到凝胶能快速吸附相变材料并且不影响其自修复性能。

2.本发明的高导热温敏自修复凝胶基相变材料无毒无害、安全可靠，导热性好，生产工艺简单，因外力挤压受损后能自修复延长使用寿命，由于凝胶的温敏性，在最低临界温度下凝胶会发生三维结构坍塌将其吸附的相变材料挤出，可以实现凝胶的重复利用。

下面通过具体的实施方式对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1

（1）高导热温敏自修复凝胶基材的制备：

a.按质量份数计，称取2份氧化石墨烯-二氧化钛复合纳米材料分散到82.2份去离子水中，用超声波细胞破碎仪超声处理60分钟；

b.加入3份交联剂硅酸镁锂和11份单体，搅拌溶解后，用NaOH溶液调节溶液的pH值至5，再加入0.1份泡沫稳定剂PF127、0.1份引发剂过硫酸铵、0.1份促进剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、1份表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，充分搅拌后迅速加入0.5份起泡剂碳酸钠快速搅拌至充分发泡；其中单体为N-异丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合物，二者的质量比为4:1。

c.在30℃恒温下保温24h，反应完成后将所得的水凝胶取出，并用过量的蒸馏水洗涤3次，每次洗涤时浸泡8h，以便能除去水凝胶中未完全反应的单体、残余的引发剂等，随后，将生成的水凝胶真空干燥48h并烘干，得到干燥的凝胶基材。

（2）高导热温敏自修复凝胶基相变材料的制备

将9份上述凝胶基材加入91份无机盐类相变储能剂中，充分吸附后即可得到高导热温敏自修复凝胶基相变材料，其中，无机盐类相变储能剂按质量份计，由72份二水合氟化钾和28份去离子水组成。

本实施例制备的相变材料的相变温度为18.56℃，相变潜热为178.62J/g,导热系数为1.938W/(m·K)，受损伤部位自修复效率能达到85%，凝胶的最低临界温度为45℃。

实施例2

（1）高导热温敏自修复凝胶基材的制备：

a.按质量份数计，称取2份氧化石墨烯-二氧化钛复合纳米材料分散到82.2份去离子水中，用超声波细胞破碎仪超声处理60分钟；

b.加入3份交联剂硅酸镁锂和11份单体，搅拌溶解后，用NaOH溶液调节溶液的pH值至5，再加入0.1份泡沫稳定剂PF127、0.1份引发剂过硫酸铵、0.1份促进剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、1份表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，充分搅拌后迅速加入0.5份起泡剂碳酸钠快速搅拌至充分发泡；其中单体为N-异丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合物，二者的质量比为4:1。

c.在30℃恒温下保温24h，反应完成后将所得的水凝胶取出，并用过量的蒸馏水洗涤3次，每次洗涤时浸泡8h，以便能除去水凝胶中未完全反应的单体、残余的引发剂等，随后，将生成的水凝胶真空干燥48h并烘干，得到干燥的凝胶基材。

（2）高导热温敏自修复凝胶基相变材料的制备

将10份上述凝胶基材加入90份离子液体相变储能剂中，充分吸附后即可得到高导热温敏自修复凝胶基相变材料，其中，离子液体相变储能剂按质量份计，由3份丙烯酰胺、27份四丁基溴化铵和70份去离子水组成。

本实施例制备的相变材料的相变温度为6.09℃，相变潜热为163.7J/g，导热系数为1.518W/(m·K)，受损伤部位自修复效率能达到80%，凝胶的最低临界温度为45℃。

实施例3

（1）高导热温敏自修复凝胶基材的制备：

a.按质量份数计，称取2份氧化石墨烯-二氧化钛复合纳米材料分散到82.2份去离子水中，用超声波细胞破碎仪超声处理60分钟；

b.加入3份交联剂硅酸镁锂、11份单体搅拌溶解后，用NaOH溶液调节溶液的pH值至5，再加入0.1份泡沫稳定剂PF127、0.1份引发剂过硫酸铵、0.1份促进剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、1份表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，充分搅拌后迅速加入0.5份起泡剂碳酸钠快速搅拌至充分发泡；其中单体为N-异丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合物，二者的质量比为4:1。

c.在30℃恒温下保温24h，反应完成后将所得的水凝胶取出，并用过量的蒸馏水洗涤3次，每次洗涤时浸泡8h，以便能除去水凝胶中未完全反应的单体、残余的引发剂等，随后，将生成的水凝胶真空干燥48h并烘干，得到干燥的凝胶基材。

（2）高导热温敏自修复凝胶基相变材料的制备

将12份上述凝胶基材加入88份脂肪酸类相变储能剂中，充分吸附后即可得到高导热温敏自修复凝胶基相变材料，其中，脂肪酸类相变储能剂按质量份计，由85份癸醇和14份月桂酸组成。

本实施例制备的相变材料的相变温度为-0.03℃，相变潜热为137.22J/g，导热系数为1.268W/(m·K)，受损伤部位自修复效率能达到70%，凝胶的最低临界温度为46℃。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料，其特征在于，所述高导热温敏自修复凝胶基相变材料为高导热温敏自修复凝胶基材与相变储能剂的复合体，按质量分数计，所述高导热温敏自修复凝胶基材的配方为：

1）氧化石墨烯-二氧化钛复合纳米材料：1.5%-2%；

2）单体：10.5%-12.4%；

3）交联剂：1%-3%；

4）引发剂：0.1%-0.2%；

5）促进剂：0.05%-0.1%；

6）表面活性剂：0.9%-1.1%；

7）去离子水：82%-85%；

8）泡沫稳定剂：0.1%-0.2%；

9）起泡剂：0.5%-1%；

所述相变储能剂为无机盐类相变材料、离子液体相变材料或脂肪酸类相变材料中的一种。

2.根据权利要求1所述的一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料，其特征在于，所述无机盐类相变材料的配方为：按质量分数计，二水合氟化钾70%-75%，去离子水25%-30%。

3.根据权利要求1所述的一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料，其特征在于，所述离子液体相变材料的配方为：按质量分数计，丙烯酰胺2%-3%，四丁基溴化铵26%-28%，去离子水68%-70%。

4.根据权利要求1所述的一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料，其特征在于，所述脂肪酸类相变材料的配方为：按质量分数计，癸醇82%-85%，月桂酸13%-18%。

5.根据权利要求1所述的一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料，其特征在于，所述单体为N-异丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合物。

6.根据权利要求1所述的一种高导热温敏自修复凝胶基相变材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）高导热温敏自修复凝胶基材的制备：

a. 按照配方，称取氧化石墨烯-二氧化钛复合纳米材料分散到去离子水中，用超声波细胞破碎仪超声处理50-60分钟；

b. 加入交联剂、单体搅拌溶解，调节溶液的pH值至4-6；加入适量泡沫稳定剂、引发剂、促进剂、表面活性剂，充分搅拌后加入起泡剂，快速搅拌至充分发泡；

c. 在25-35℃恒温下保温24-36h，反应完成后，将所得的水凝胶取出，并用过量的蒸馏水洗涤3~5次，每次洗涤时浸泡6-8h，随后将所生成的水凝胶真空干燥并烘干，得到干燥的凝胶基材；

（2）高导热温敏自修复凝胶基相变材料的制备：

按质量份数计，将步骤（1）得到的9-12份凝胶基材与88-91份相变储能剂混合并搅拌均匀，充分吸附后即得到自修复凝胶基相变材料。