CN110172334B - 一种相变控温微胶囊及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微胶囊，具体公开了一种相变控温微胶囊及其制备方法，所述微胶囊包括胶囊芯和包裹在所述胶囊芯外部的胶囊壁组成，其特征在于，所述胶囊壁由硬脂酸制成，所述胶囊芯由十二水磷酸氢二钠制成。本发明的一种微胶囊以硬脂酸为壁材，以十二水磷酸氢二钠为芯材，这两种材料具有价格便宜、无毒、无污染等优点，可提高生产的安全性能以及降低生产的成本。

Description

一种相变控温微胶囊及其制备方法
技术领域
本发明涉及微胶囊制备领域。更具体地说，本发明涉及一种相变控温微胶囊及其制备方法。
背景技术
近年来，随着深水和陆域冻土区油气井建井越来越多，固井作业中遇到含水合物/冰等低温地层的概率越来越大。由于水合物和冰仅在低温条件下稳定存在，而大量固井水泥浆的水化热将会对其稳定产生不利影响，甚至会直接引起井周地层中水合物分解，进而导致井壁失稳甚至是井眼报废等严重事故。因此，在上述地层固井作业时，有必要使用低热水泥浆体系，使固井水泥浆的水化热对井周地层中的水合物或冰尽量不扰动。
为了合理控制固井水泥浆的水化热，国内外相关研究人员提出了以相变微胶囊作为水泥浆水化热控制剂的技术措施。当前，主要以有机和无机相变材料作为微胶囊的芯材，在实验室内研制了水泥浆水化热控制效果较好的多种相变微胶囊，但是目前的微胶囊均具有制作工艺复杂、包裹形态不均匀和生产成本高等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种相变控温微胶囊及其制备方法。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种相变控温微胶囊，其为球形颗粒状结构，所述微胶囊包括胶囊芯和包裹在所述胶囊芯外部的胶囊壁，所述胶囊壁由硬脂酸制成，所述胶囊芯由十二水磷酸氢二钠制成。
一种上述所述的相变控温微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
(1)、按质量比为1:0.5～2的配比分别称取硬脂酸和十二水磷酸氢二钠，备用；
(2)、将步骤(1)中的硬脂酸置于烧杯内，向烧杯内加入50ml的无水乙醇，将烧杯放置在水浴锅内，水浴加热至34℃后，用磁力搅拌器进行搅拌，至硬脂酸完全溶解，制得包被剂；
(3)、向步骤(2)中所得的包被剂内加入步骤(1)中硬脂酸和十二水磷酸氢二钠质量和的2.5％～5％的表面活性剂，并在34℃的水浴条件下，用磁力搅拌器进行搅拌，制得乳化液；
(4)、向步骤(3)中所得的乳化液中加入十二水磷酸氢二钠，并用磁力搅拌器进行搅拌，得到混合液；
(5)、继续用磁力搅拌器搅拌步骤(4)中所得的混合液，同时将烧杯放置在4℃的水浴条件下进行降温处理，以形成制备相变控温微胶囊的乳浊液；
(6)、用滤纸对步骤(5)中所得乳浊液进行过滤，得到固体沉淀物，再将固体沉淀物用酒精洗涤两次后，放置于烘箱中恒温干燥24h，即得所述变控温微胶囊。
进一步地，所述步骤(1)中的硬脂酸和十二水磷酸氢二钠的质量比为1:1。
进一步地，所述步骤(2)中搅拌的速度为100～600r/min，搅拌时间为3min。
进一步地，所述步骤(3)中的表面活性剂为聚乙二醇。
进一步地，所述步骤(3)中的搅拌速度为200～800r/min，搅拌时间为10～30min。
进一步地，所述步骤(5)中的搅拌速度为200～800r/min。
进一步地，所述步骤(6)中的干燥温度为30℃。
本发明的有益效果是：1、本发明中，以硬脂酸为壁材，以十二水磷酸氢二钠为芯材，这两种材料具有价格便宜、无毒、无污染等优点，可提高生产的安全性能以及降低生产的成本。
2、本发明所制备的相变控温微胶囊，能够有效降低固井水泥浆的水化温升，可降温7℃-10℃。
3、本发明所制备的相变控温微胶囊，具有明显的芯-壳分层结构，且胶囊壁具有一定的强度，水泥浆配制过程中不易破碎；同时，胶囊壁的熔点较高，不会在水泥浆水化放热过程中因熔化而导致微胶囊失效。
4、本发明所制备的相变控温微胶囊可在固井水泥浆中均匀分散，并且可以作为孔隙结构调节剂以提高水泥石的密实度，从而对水泥石力学强度具有正面影响。
5、本发明所制备的相变控温微胶囊具有制作工艺简单，可在工业上进行批量生产，且生产过程具有高效、清洁等优点，环保性能强。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述一种相变控温微胶囊的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明的实施例提供一种相变控温微胶囊，其为球形颗粒状结构，所述微胶囊包括胶囊芯2和包裹在所述胶囊芯2外部的胶囊壁1，所述胶囊壁1由硬脂酸制成，所述胶囊芯2由十二水磷酸氢二钠制成。
<实施例1>
一种上述所述的相变控温微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
(1)、分别称取4g硬脂酸和2g十二水磷酸氢二钠，备用；
(2)、将步骤(1)中的4g硬脂酸置于烧杯内，向烧杯内加入50ml的无水乙醇，将烧杯放置在水浴锅内，水浴加热至34℃后，用磁力搅拌器以100r/min的速度搅拌3min，待硬脂酸完全溶解，制得包被剂；
(3)、向步骤(2)中所得的包被剂内加入步骤(1)中硬脂酸和十二水磷酸氢二钠质量和的2.5％的聚乙二醇，并在34℃的水浴条件下，用磁力搅拌器以200r/min的速度搅拌搅拌10min，制得乳化液；
(4)、向步骤(3)中所得的乳化液中加入2g十二水磷酸氢二钠，并用磁力搅拌器以200r/min的速度搅拌搅拌3min，得到混合液；
(5)、继续用磁力搅拌器以200r/min的速度搅拌步骤(4)中所得的混合液，同时将烧杯放置在4℃的水浴条件下进行降温处理，以形成制备相变控温微胶囊的乳浊液；
(6)、用滤纸对步骤(5)中所得乳浊液进行过滤，得到固体沉淀物，再将固体沉淀物用酒精洗涤两次后，放置于烘箱中在30℃的温度下恒温干燥24h，即得所述变控温微胶囊。
<实施例2>
一种上述所述的相变控温微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
(1)、分别称取4g硬脂酸和4g十二水磷酸氢二钠，备用；
(2)、将步骤(1)中的4g硬脂酸置于烧杯内，向烧杯内加入50ml的无水乙醇，将烧杯放置在水浴锅内，水浴加热至34℃后，用磁力搅拌器以350r/min的速度搅拌3min，待硬脂酸完全溶解，制得包被剂；
(3)、向步骤(2)中所得的包被剂内加入步骤(1)中硬脂酸和十二水磷酸氢二钠质量和的3.75％的聚乙二醇，并在34℃的水浴条件下，用磁力搅拌器以500r/min的速度搅拌搅拌20min，制得乳化液；
(4)、向步骤(3)中所得的乳化液中加入4g十二水磷酸氢二钠，并用磁力搅拌器以500r/min的速度搅拌搅拌3min，得到混合液；
(5)、继续用磁力搅拌器以500r/min的速度搅拌步骤(4)中所得的混合液，同时将烧杯放置在4℃的水浴条件下进行降温处理，以形成制备相变控温微胶囊的乳浊液；
(6)、用滤纸对步骤(5)中所得乳浊液进行过滤，得到固体沉淀物，再将固体沉淀物用酒精洗涤两次后，放置于烘箱中在30℃的温度下恒温干燥24h，即得所述变控温微胶囊。
<实施例3>
一种上述所述的相变控温微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
(1)、分别称取4g硬脂酸和8g十二水磷酸氢二钠，备用；
(2)、将步骤(1)中的4g硬脂酸置于烧杯内，向烧杯内加入50ml的无水乙醇，将烧杯放置在水浴锅内，水浴加热至34℃后，用磁力搅拌器以600r/min的速度搅拌3min，待硬脂酸完全溶解，制得包被剂；
(3)、向步骤(2)中所得的包被剂内加入步骤(1)中硬脂酸和十二水磷酸氢二钠质量和的5％的聚乙二醇，并在34℃的水浴条件下，用磁力搅拌器以800r/min的速度搅拌搅拌30min，制得乳化液；
(4)、向步骤(3)中所得的乳化液中加入8g十二水磷酸氢二钠，并用磁力搅拌器以800r/min的速度搅拌搅拌3min，得到混合液；
(5)、继续用磁力搅拌器以800r/min的速度搅拌步骤(4)中所得的混合液，同时将烧杯放置在4℃的水浴条件下进行降温处理，以形成制备相变控温微胶囊的乳浊液；
(6)、用滤纸对步骤(5)中所得乳浊液进行过滤，得到固体沉淀物，再将固体沉淀物用酒精洗涤两次后，放置于烘箱中在30℃的温度下恒温干燥24h，即得所述变控温微胶囊。
<对比例1>
一种上述所述的相变控温微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
(1)、分别称取4g硬脂酸和8g六水氯化钙，备用；
(2)、取4g步骤(1)中的硬脂酸置于烧杯内，向烧杯内加入50ml的无水乙醇，将烧杯放置在水浴锅内，水浴加热至34℃后，用磁力搅拌器以600r/min的速度搅拌3min，待硬脂酸完全溶解，制得包被剂；
(3)、向步骤(2)中所得的包被剂内加入步骤(1)中硬脂酸和十二水磷酸氢二钠质量和的5％的聚乙二醇，并在34℃的水浴条件下，用磁力搅拌器以800r/min的速度搅拌搅拌30min，制得乳化液；
(4)、向步骤(3)中所得的乳化液中加入8g的六水氯化钙，并用磁力搅拌器以800r/min的速度搅拌搅拌3min，得到混合液；
(5)、继续用磁力搅拌器以800r/min的速度搅拌步骤(4)中所得的混合液，同时将烧杯放置在4℃的水浴条件下进行降温处理，以形成制备相变控温微胶囊的乳浊液；
(6)、用滤纸对步骤(5)中所得乳浊液进行过滤，得到固体沉淀物，再将固体沉淀物用酒精洗涤两次后，放置于烘箱中在30℃的温度下恒温干燥24h，即得所述变控温微胶囊。
一种相变控温微胶囊性能的测试方法，可用于对经过上述多个实施例和对比例分别制得的相变控温微胶囊各项性能进行测试，其主要包括如下步骤：
(1)、用DSC/TG热分析仪进行测试：测试时，将DSC/TG热分析仪的温度设定在100℃；以4～6℃/min的速率均匀升温到100℃再均匀降温，同时以氮气为气体环境作为保护。在降温过程中，测试出各微胶囊样品的DSC/TG曲线，从而得出各样品的相变温度、吸热功率、质量损失和包封率。
(2)用光学显微镜和扫描电镜观测表观形貌：先用光学显微镜分别观测经上述多个实施例和对比例分别制得的相变控温微胶囊是否具有芯-壁双层结构并测算平均粒径范围，再用扫描电镜分别对经上述多个实施例和对比例分别制得的相变控温微胶囊的表面和内部结构进行细微观测，遵循由低倍到高倍、由整体到局部的原则，先对每个完整的相变控温微胶囊进行表面形貌观测，确定其形状均匀与粒径大小，再对每个剖开的相变控温微胶囊进行内部结构观测，得到微胶囊的芯壁尺寸。
(3)对相变控温微胶囊的包封率进行评价：微胶囊的包封率表征制备过程中芯壁材的包裹利用情况。包封率越大，表明材料的成形利用率越高。
(4)对相变控温微胶囊控温能力进行评价：将经上述多个实施例和对比例分别制得的相变控温微胶囊按照水泥质量的3％～5％添加到固井水泥中，得到水泥浆升温峰值，通过与不添加相变微胶囊的固井水泥浆水化温升的对比，分别评价不同相变控温微胶囊对固井水泥浆的实际控温效果。测试结果如下：
Figure BDA0002057830130000061
Figure BDA0002057830130000071
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例/实施例。

Claims (8)

1.一种相变控温微胶囊，其为球形颗粒状结构，所述微胶囊包括胶囊芯(2)和包裹在所述胶囊芯(2)外部的胶囊壁(1)，其特征在于，所述胶囊壁(1)由硬脂酸制成，所述胶囊芯(2)由十二水磷酸氢二钠制成。
2.一种权利要求1所述的相变控温微胶囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、按质量比为1:0.5～2的配比分别称取硬脂酸和十二水磷酸氢二钠，备用；
(2)、将步骤(1)中的硬脂酸置于烧杯内，向烧杯内加入50ml的无水乙醇，将烧杯放置在水浴锅内，水浴加热至34℃后，用磁力搅拌器进行搅拌，至硬脂酸完全溶解，制得包被剂；
(3)、向步骤(2)中所得的包被剂内加入步骤(1)中硬脂酸和十二水磷酸氢二钠质量和的2.5％～5％的表面活性剂，并在34℃的水浴条件下，用磁力搅拌器进行搅拌，制得乳化液；
(4)、向步骤(3)中所得的乳化液中加入十二水磷酸氢二钠，并用磁力搅拌器进行搅拌，得到混合液；
(5)、继续用磁力搅拌器搅拌步骤(4)中所得的混合液，同时将烧杯放置在4℃的水浴条件下进行降温处理，以形成制备相变控温微胶囊的乳浊液；
(6)、用滤纸对步骤(5)中所得乳浊液进行过滤，得到固体沉淀物，再将固体沉淀物用酒精洗涤两次后，放置于烘箱中恒温干燥24h，即得所述变控温微胶囊。
3.根据权利要求2所述的一种相变控温微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的硬脂酸和十二水磷酸氢二钠的质量比为1:1。
4.根据权利要求2所述的一种相变控温微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中搅拌的速度为100～600r/min，搅拌时间为3min。
5.根据权利要求2所述的一种相变控温微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的表面活性剂为聚乙二醇。
6.根据权利要求2所述的一种相变控温微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的搅拌速度为200～800r/min，搅拌时间为10～30min。
7.根据权利要求2所述的一种相变控温微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中的搅拌速度为200～800r/min。
8.根据权利要求2所述的一种相变控温微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中的干燥温度为30℃。
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