一种氮化硅改性相变储能微胶囊及其制备方法技术

一种氮化硅改性相变储能微胶囊，由壳材及其包覆的芯材组成，以重量份数计，壳材包括50~100份高分子聚合物以及均匀分散在高分子聚合物中的1~20份氮化硅粉；芯材包括50~100份有机相变储能材料以及均匀分散在有机相变储能材料中的1~20份氮化硅粉;本发明专利技术还提供了该相变储能微胶囊的制备方法。本发明专利技术提高了相变储能材料热传导率，抑制其相变过程中的过热、过冷度，同时也提高了耐温耐磨性、抗热震性、抗疲劳性等性能。本发明专利技术制备工艺相对简单、原料易得、可控性强，能够充分利用现有的工业加工技术，改善了相变储能微胶囊的性能，适用于工业化规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化硅改性相变储能微胶囊及其制备方法
本专利技术涉及相变储能微胶囊及其制备方法，具体是一种氮化硅改性相变储能微胶囊及其制备方法。
技术介绍
在能源、环境问题日益凸显的今天，具有高储能密度、长循环使用寿命的相变储能材料（PCMs）越来越为人们所关注。相变储能微胶囊（MicroPCMs）的研究克服了PCMs在应用中所存在的一系列问题，如：液体流动性高，相变时易发生泄漏、与基体材料的相容性差、微胶囊强度低，导热性差等。MicroPCMs的应用已经覆盖了航空航天、节能建筑、调温纤维、电池管理、工厂余热回收等各个领域，与人们的生活息息相关。虽然相变储能材料的微胶囊化研究始于20世纪70年代，但是仍然存在许多有待解决的重要问题，如提高导热性，加速相变材料的结晶速度、降低其过冷、过热（即减小相变过程中的温差）；调节囊壁材料的强度和抗热震性、耐疲劳老化性；探索高效、低能耗、低成本的产业制备方法等。在文献报道中，研究者们多采用添加石墨烯和碳纳米管来提高相变储能材料的热导性能，但是由于碳纳米管成本过高，难于工业化生产，且颜色单一不美观，在实际应用中受到很大的限制。氮化硅是一种性能优异的陶瓷粉体，热导率为16.7W/(mK)，线膨胀系数为2.75×10-6/℃(20~1000℃)，具有良好的耐磨性、抗氧化、抗热震性，在许多领域都有着广泛的应用，而将氮化硅应用于增强相变储能微胶囊的热传导性，国内外尚未见报道。使用氮化硅纳米粒子改性复合材料，一方面可以改变复合材料的应力状态，均匀分散的纳米粒子具有较多的表面活性中心和与基体形成较大的接触界面；当受到外力时，二者不易脱离，界面处很多微变形区会吸收大量能量，既可传递外力，又引发基体屈服，达到增强增韧的目的。另一方面，纳米氮化硅粒子效应可影响聚合物的结晶行为和晶体结构，影响材料性能；有研究者利用Avrami方程和莫氏方法证明纳米氮化硅粒子对高分子材料具有很好的成核作用，对结晶过程有明显的加速作用，并通过实验证明了这一论点。但是，由于纳米氮化硅具有高表面自由能，容易形成团聚，当将其作为填料添加到聚合物基体当中时，由于无机刚性粒子与有机相的结构差别较大，相容性差，导致纳米氮化硅粒子很难以纳米尺度均匀分散在聚合物基体当中，而是容易形成聚集的大颗粒，成为复合材料当中的缺陷。这不仅无法实现上述的有益性能，反而会损害聚合物本身的性能。为了使氮化硅能够均匀地分散在聚合物中，必须解决聚合物与氮化硅相容性的问题。
技术实现思路
鉴于现有相变储能微胶囊存在的问题，本专利技术提供了一种氮化硅改性相变储能微胶囊及其制备方法，通过超声分散、接枝改性等方法，将氮化硅粉均匀分散于相变储能微胶囊的壳材和芯材中，以提高相变储能微胶囊的力学性能、耐温性能及导热性能。一种氮化硅改性相变储能微胶囊，由壳材及其包覆的芯材组成，以重量份数计，所述壳材包括50~100份高分子聚合物以及均匀分散在所述高分子聚合物中的1~20份氮化硅粉；所述芯材包括50~100份有机相变储能材料，以及均匀分散在这些有机相变储能材料中的1~20份氮化硅粉。所述相变储能微胶囊呈球形。其中，所述氮化硅粉为接枝氮化硅粉，粒径为0.005~10μm。该接枝氮化硅粉是氮化硅粉在硅烷偶联剂醇溶液中经超声分散、接枝处理后干燥得到的。所述高分子聚合物为聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、酚醛树脂、密胺树脂、脲醛树脂、聚脲树脂中的一种或者两种。所述有机相变储能材料为相变石蜡、C14-C30的正构烷烃、C8-18的脂肪醇或C8-18的脂肪酸及其酯。所述有机相变储能材料可为轻质石蜡、25#相变石蜡、30#相变石蜡、35#石蜡、58#石蜡、十六烷、十八烷、二十烷或硬脂酸正丁酯等。本专利技术氮化硅改性相变储能微胶囊的制备方法，包括以下步骤：1）、1~40份硅烷偶联剂加入50~100份液态醇中配制成醇溶液，然后加入2~40份氮化硅粉，超声处理10~60min，然后保持浸泡状态10~72h，再在室温或者烘箱中干燥，得到改性氮化硅粉；2）、将50~100份有机相变储能材料升温至融化，同时保持温度并加入1~20份所述步骤1）得到的改性氮化硅粉、1~10份乳化剂，以500~1000rpm转速搅拌10~30min，然后再超声处理10~120min，形成乳液；3）、将步骤2）制得的乳液加入到500~1000份的水中，再加入1~20份乳化剂，用高速剪切乳化机或均质机在5000~10000rpm转速下搅拌5~30min；4）、将1~20份所述步骤1）得到的改性氮化硅粉、1~20份交联剂、0.1~5份引发剂加入到50~100份聚合物原料中，用高速剪切乳化机或均质机在5000~10000rpm转速下搅拌5~30min；5）、将步骤3）和步骤4）的产物混合，在500~3000rpm转速、25~100℃条件下，聚合2~24h；6）、将步骤5）反应后的产物过滤、洗涤、烘干，得到氮化硅改性相变储能微胶囊。上述方法中，所述硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷。所述聚合物原料为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、苯酚、甲醛、三聚氰胺、尿素中的一种或者两种。所述乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、苯乙烯-马来酸酐共聚物、正戊醇、Span-80和Tween-80中的一种或两种。所述交联剂为聚丙二醇-2000、1,4-丁二醇二丙烯酸酯、二乙烯基苯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、N-羟基甲基丙烯酸酰胺、马来酸或丙烯酸-β-羟丙酯。所述引发剂为过硫酸铵、偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰、过氧化氢-氯化亚铁、氯化钠、氯化铵或三氯化铁。本专利技术所采用的氮化硅粉粒度在0.005~10μm之间，具有良好的耐磨性，抗氧化、抗热震性，提高了相变储能微胶囊的导热性、耐高温性、耐磨性、抗热震性、抗疲劳性等。在本专利技术中采用超声处理的方法，使氮化硅粉能够均匀的分散在相变储能材料和高分子聚合物中，并通过接枝处理、表面活性剂的调节，使氮化硅能够保持良好的界面性能，稳定的存在于相变储能微胶囊的交联网络中，提高相变储能材料热传导率，抑制其相变过程中的过热、过冷度，同时也提高了相变储能材料的耐温性能，使相变储能微胶囊的强度、导热性各方面性质得到有效改善。与现有的相变储能微胶囊相比，本专利技术提高了相变储能材料热传导率，抑制其相变过程中过热、过冷度，同时也提高了耐温耐磨性、抗热震性、抗疲劳性等性能。该微胶囊中采用接枝改性氮化硅粉，它由原始氮化硅粉在硅烷偶联剂醇溶液中、通过超声分散表面接枝处理后得到，这有效的解决了其与相变储能材料及高分子聚合物的界面结合问题，在相变储能微胶囊内部形成了一个有效的热传导的通道。且氮化硅性能稳定，无毒，制备简单，不会对环境产生污染，绿色环保。本专利技术制备工艺相对简单、原料易得、可控性强，能够充分利用现有的工业加工技术，改善了相变储能微胶囊的性能，适用于工业化规模生产。附图说明图1是本专利技术实施例1相变储能微胶囊的SEM图；图2是图1局部放大的SEM图；图3是本专利技术相变储能微胶囊的红外谱图；图4是本专利技术氮化硅改性相变储能微胶囊与未改性的相变储能微胶囊的TG图；图5是本专利技术相变储能材料与氮化硅的热导率测试图图6是本专利技术相变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化硅改性相变储能微胶囊，由壳材及其包覆的芯材组成，以重量份数计，其特征在于，所述壳材包括50~100份高分子聚合物以及均匀分散在所述高分子聚合物中的1~20份氮化硅粉；所述芯材包括50~100份有机相变储能材料以及均匀分散在所述有机相变储能材料中的1~20份氮化硅粉。

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅改性相变储能微胶囊，由壳材及其包覆的芯材组成，其特征在于，以重量份数计，所述壳材包括50~100份高分子聚合物以及均匀分散在所述高分子聚合物中的1~20份氮化硅粉；所述芯材包括50~100份有机相变储能材料以及均匀分散在所述有机相变储能材料中的1~20份氮化硅粉；其中，所述氮化硅粉为接枝氮化硅粉，粒径为0.005~10μm；该接枝氮化硅粉是氮化硅粉在硅烷偶联剂醇溶液中经超声分散、接枝处理后干燥得到的，能够保持良好的界面性能稳定地存在于相变储能微胶囊的交联网络中，在相变储能微胶囊内部形成了有效的热传导通道；所述相变储能微胶囊都呈规则球形，直径为10~50μm，表面均匀分散的突起为所述壳材中的氮化硅。2.根据权利要求1所述的相变储能微胶囊，其特征在于，所述高分子聚合物为聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、酚醛树脂、密胺树脂、脲醛树脂、聚脲树脂中的一种或者两种。3.根据权利要求1所述的相变储能微胶囊，其特征在于，所述有机相变储能材料为相变石蜡，C14-C30的正构烷烃，C8-C18的脂肪醇或C8-C18的脂肪酸及其酯。4.根据权利要求1所述的相变储能微胶囊，其特征在于，所述有机相变储能材料为轻质石蜡、25#相变石蜡、30#相变石蜡、35#石蜡、58#石蜡、十六烷、十八烷、二十烷或硬脂酸正丁酯。5.如权利要求1-4任何一项所述氮化硅改性相变储能微胶囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）、将1~40份硅烷偶联剂加入50~100份醇中配制成醇溶液，然后加入2~40份氮化硅粉，超声处理10~60min，然后保持浸泡状态10~72h，再在室温或者烘箱中干燥，得到粒径为0.005~10μm的接枝氮化硅粉；2）、将50~100份有机相变储能材料升温至融化，同时保持温度并加入1~20份...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐国翌，杨艳阳，宋国林，刘源，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：