一种磁性微胶囊相变储能材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种兼具磁性和热能储存功能的微胶囊相变储能材料及其制备方法。该微胶囊的壁材为带有磁性功能的磁性铁氧体/二氧化硅无机杂化材料，芯材为石蜡和高级脂肪族醇、酸、酯类有机相变储能材料。本发明专利技术的磁性微胶囊相变储能材料的制备方法是：首先合成磁性铁氧体纳米粒子，再通过皮克林(Pickering)乳液技术，将溶剂中的磁性铁氧体纳米粒子组装到有机相变储能材料悬浮油滴表面；最后通过界面聚合技术，在相变储能材料表面形成二氧化硅凝胶，来固定有机相变储能材料油滴表面的磁性铁氧体纳米粒子，从而形成由磁性铁氧体/二氧化硅杂化壁材包覆相变储能材料的微胶囊。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性微胶囊相变储能材料及其制备方法
本专利技术涉及一种微胶囊化相变储能材料，尤其涉及一种壁材具有磁性功能的微胶囊有机相变储能材料及其制备方法。
技术介绍
能源作为人类社会生产生活的动力，与现代社会的发展与经济的繁荣息息相关。当今，世界能源己步入一个新的变革期。能源短缺问题已经在大多数国家甚至全球范围内出现，成为世界各国面临的共同问题。由于能源的供应和需求在很多情况下都有很强的时间依赖性，为了合理地利用它，就需要把暂时不用的能量储存起来，在需要的时候再释放出来，这对节约能源和提高能源的利用效率无疑是非常重要的。储能材料的研发正是为了解决能量供求在时间和空间匹配上的相互矛盾而提出来的。储能技术是20世纪末发展起来的一项高新技术，是提高能源利用率的有效手段，而储能材料是储能技术的基础。目前，作为储能材料的重要组成部分的相变储能材料，已经受到越来越多的国内外相应专家的重视，引起了相关领域研究人员的极大兴趣，极具发展前景。相变储能材料是利用物质在相变过程中的吸、放热效应进行能量储存和温度调控的材料。该类材料因在相变过程中自身温度保持不变，可广泛应用于建筑和纺织领域。根据物质属性分类，相变储能材料可分为无机储能相变材料和有机储能相变材料。无机和有机相变储能材料分别具有各自的优点，但都存在一定的局限性。无机相变储能材料热导率高、阻燃性好且成本低，但是具有腐蚀性、易降解性、易过冷性，所有这些缺点都对其相变性能产生很大的影响。有机相变储能材料无腐蚀性、具有化学稳定性、没有过冷现象、单位体积的的相变潜热高，但是热导率低、相变时体积变化大，而且易燃。根据相变方式分类，相变储能材料可分为四类：固－固相变储能材料、固－液相变储能材料、固－气相变储能材料及液－气相变储能材料。由于后两种相变方式在相变过程中伴随有大量气体的存在，使材料体积变化比较大，因此尽管它们有很大的相变焓，但在实际应用中很少被选用，所以固－液相变储能材料和固－固相变储能材料是目前该领域研究的重点。由于固－液相变材料的相变潜热较大，其应用也相对较广。高级脂肪烃类(石蜡)和高级脂肪族醇、酸、酯类有机相变储能材料等都是最常用的固－液相变储能材料。该类同系有机相变储能材料的相变温度和相变焓会随着碳链的增长而增大，通过混合使用能够实现相变温度的可控。虽然这些相变材料拥有很高的相变焓和储能密度，却在使用过程中存在一个重大缺陷：每次吸放潜热都要经历固态－液态－固态的物理状态改变，这使其在反复多次相变后，极易泄露、流失。为了解决上述问题，一个较优的方法是将相变储能材料封装成微胶囊。此外，封装后的相变储能材料尺度小，单位换热面积大，因而换热效率较高。目前对相变储能材料进行封装的主流技术是以聚合物为壁材。如中国专利CN103170289A，该专利采用石蜡为芯材、三聚氰胺－甲醛树脂为壁材，利用原位聚合法制备微胶囊相变储能材料。聚合物壁材所存在的主要缺陷是其导热性差，导热系数仅0.12W·m-1·K-1左右，从而造成微胶囊相变储能材料的热响应减慢，易产生过冷现象。无机材料具有高分子材料无法比拟的高强度、难燃性、高热稳定性、高导热性(导热系数通常在1.3W·m-1·K-1以上)和材质更致密等特性，所形成的“壳－芯”微胶囊结构更趋稳定。目前针对基于硅氧基的无机壁材微胶囊相变储能材料的原位溶胶－凝胶法和界面聚合法合成技术已渐趋成熟。目前，已经有公开的制备二氧化硅包覆相变储能材料的专利技术专利，如中国专利CN101824307A，该专利采用溶胶－凝胶法，在低温条件下通过表面活性剂模板法合成了形状稳定的二氧化硅包覆石蜡的微胶囊相变储能材料。目前所公开资料显示，有关相变储能材料微胶囊的研究开发主要注重在相变材料能量储存单一功能的增强，却几乎没有涉及利用相变储能材料的微胶囊化来拓展其功能的领域。随着相变储能材料应用领域的不断开拓，在某些特殊的领域，对具有诸如光、电、磁等特殊物理或化学功效的双重功能微胶囊相变储能材料的需求也已显现。这也成为相变储能材料领域研究人员必须面对的一个重要课题。本专利开辟了一种新的研究领域，将本身具有磁性的无机纳米材料用来包覆相变储能材料，从而诞生了既具有相变储能和调温功能的芯材，又具有磁性功能壁材的双功能微胶囊相变储能材料。因为直接形成磁性铁氧体壁材的难度极大，故先合成磁性铁氧体纳米粒子，再通过皮克林(Pickering)乳液技术将磁性铁氧体纳米粒子组装到相变储能材料表面，并用硅凝胶进行固定。目前，磁性铁氧体纳米粒子己经被广泛应用于生物化学、医学和生物技术中，用以固定蛋白质、酶和其他生物活性物质。单组份的磁性铁氧体纳米粒子由于易团聚、稳定性差以及生物降解作用而不能直接应用。将磁性铁氧体纳米粒子引入具有特殊结构的材料中，既可以克服单组份磁性铁氧体纳米粒子的缺点，又能够赋予材料磁性能。而Pickering乳液技术提供了一种很方便的将固体颗粒组装到油水界面的方法。公开号为CN1569323A的中国专利公开了一种基于Pickering乳液技术将固体粒子组装到油性溶剂表面，通过可控化学反应，在Pickering乳液界面的纳米固体膜上进行逐层组装，得到复合纳米空心结构。本专利合成的微胶囊相变储能材料具有软磁性特征，将其制作成功能性涂层应用于集成电路芯片，可产生降温和抗低频电磁波干扰的双重功效。同时，这种双功能微胶囊相变储能材料兼具芯材的相变吸热降低红外特征及壁材的宽频吸波特性，可广泛应用于军事隐形领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种既具有磁性功能、又具热能储存及调温功能的微胶囊相变储能材料及其制备方法。由于该微胶囊相变储能材料采用了高导热无机杂化壁材来包覆的，不仅克服了传统有机壁材包覆微胶囊相变储能材料的导热性差、强度低、易燃、相变时易过冷的缺陷，同时还赋予其磁性功能，使该微胶囊相变储能材料的应用领域从传统的纺织及建筑节能领域扩展到微电子材料、智能纤维及织物、军事隐身材料等领域。本专利技术所提出的一种磁性微胶囊相变储能材料及其制备方法，可通过以下技术手段来实现。磁性微胶囊相变储能材料的合成工艺过程如下：(1)改性磁性铁氧体纳米粒子的制备过程：将氨水加入到三价铁盐和二价铁盐混合溶液中搅拌均匀，调节pH值至碱性；加入疏水改性剂，在55℃和氮气保护下搅拌熟化20min；先用去离子水冲洗制备的磁性铁氧体纳米粒子以除去残留的氨水，再用非水溶剂冲洗以除去残留的去离子水，用去离子水和非水溶剂冲洗时均使用强磁进行分离。(2)Pickering乳液的制备过程：将相变储能材料和硅源在45℃下搅拌均匀，同时，将混有磁性铁氧体纳米粒子的非水悬浮液加热到45℃；将上述两种液体混合，并在超声作用下形成纳米粒子稳定的水包油Pickering乳液；加入表面活性剂，搅拌形成小分子协同纳米粒子稳定的Pickering乳液。(3)硅凝胶固定相变储能材料液滴表面的磁性铁氧体纳米粒子并形成磁性铁氧体/二氧化硅杂化壁材的过程：在过程(2)中形成的Pickering乳液中滴入浓度大于1.26mol/L的盐酸溶液，搅拌3h后关闭搅拌桨，熟化18～21h；用去离子水冲洗产品2～3次，过滤、自然风干即可得到磁性微胶囊相变储能材料。上述过程(1)中磁性铁氧体纳米粒子包括Fe3O4纳米粒子和γ–Fe2O3纳米粒子中的一种或两种，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性微胶囊相变储能材料的制备方法，其特征在于，该磁性微胶囊的胶囊芯为高级脂肪烃类和高级脂肪族醇、酸、酯类有机相变储能材料中的一种或几种，其胶囊壳为带有磁性功能的磁性铁氧体/二氧化硅无机杂化材料，并具有胶囊芯由磁性纳米粒子完全覆盖、外面再由二氧化硅填充间隙和包覆的双壳层“核－壳”结构，其制备方法包括以下工艺过程：(1)改性磁性铁氧体纳米粒子的制备过程：将氨水加入到三价铁盐和二价铁盐混合溶液中搅拌均匀，调节pH值为10～11，然后加入阳离子表面活性剂作为疏水改性剂，在55℃和氮气保护下搅拌熟化20min，用去离子水冲洗制备的磁性铁氧体纳米粒子以除去残留的氨水，再用甲酰胺和乙腈中任意一种作为非水溶剂冲洗以除去残留的去离子水，用去离子水和非水溶剂冲洗时均使用强磁进行分离；(2)皮克林(Pickering)乳液的制备过程：将质量比为80/20～40/60的相变储能材料和硅源在45℃下搅拌均匀，同时，将混有磁性铁氧体纳米粒子的非水悬浮液加热到45℃，再将上述两种液体混合，并在超声作用下形成纳米粒子稳定的水包油Pickering乳液，然后加入表面活性剂，搅拌形成小分子协同纳米粒子稳定的Pickering乳液；(3)硅凝胶固定相变储能材料液滴表面的磁性铁氧体纳米粒子并形成铁氧体/二氧化硅杂化壁材的过程：在步骤(2)形成的Pickering乳液中滴入浓度大于1.26mol/L的盐酸溶液，搅拌3h后关闭搅拌桨，熟化18～21h，然后用去离子水冲洗产品2～3次，过滤、自然风干即可得到磁性微胶囊相变储能材料。...

【技术特征摘要】
1.一种磁性微胶囊相变储能材料的制备方法，其特征在于，该磁性微胶囊的胶囊芯为高级脂肪烃类和高级脂肪族醇、酸、酯类有机相变储能材料中的一种或几种，其胶囊壳为带有磁性功能的磁性铁氧体/二氧化硅无机杂化材料，并具有胶囊芯由磁性纳米粒子完全覆盖、外面再由二氧化硅填充间隙和包覆的双壳层“核－壳”结构，其制备方法包括以下工艺过程：(1)改性磁性铁氧体纳米粒子的制备过程：将氨水加入到三价铁盐和二价铁盐混合溶液中搅拌均匀，调节pH值为10～11，然后加入阳离子表面活性剂作为疏水改性剂，在55℃和氮气保护下搅拌熟化20min，用去离子水冲洗制备的磁性铁氧体纳米粒子以除去残留的氨水，再用甲酰胺和乙腈中任意一种作为非水溶剂冲洗以除去残留的去离子水，用去离子水和非水溶剂冲洗时均使用强磁进行分离；(2)皮克林(Pickering)乳液的制备过程：将质量比为80/20～40/60的相变储能材料和硅源在45℃下搅拌均匀，同时，将混有磁性铁氧体纳米粒子的非水悬浮液加热到45℃，再将上述两种液体混合，并在超声作用下形成纳米粒子稳定的水包油Pickering乳液，然后加入表面活性剂，搅拌形成小分子协同纳米粒子稳定的Pickering乳液；(3)硅凝胶固定相变储能材料液滴表面的磁性铁氧体纳米粒子并形成铁氧体/二氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪晓东，蒋富云，武德珍，
申请(专利权)人：北京化工大学常州先进材料研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32