一种具有光催化特性的双功能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具有光催化特性的双功能微胶囊相变储能材料及其制备方法。其芯材为高级脂肪族烷烃、醇、酸和酸酯等相变材料，壁材为具有光催化特性的结晶型二氧化钛或元素掺杂结晶型二氧化钛。其制备方法是：将表面活性剂2.0～3.4wt.％、溶剂79.0～80.0wt.％、相变储能材料6.0～10.0wt.％、钛源4.5～8.5wt.％混合搅拌形成稳定乳液；加入溶剂与水的混合液引发反应；再加入0.0～3.0wt.％结晶诱导助剂，既获得结晶型二氧化钛包覆有机相变材料的微胶囊相变储能材料。将该产物加入到金属溶液或非金属溶液中搅拌，可获得元素掺杂结晶型二氧化钛包覆有机相变材料的微胶囊相变储能材料。

【技术实现步骤摘要】
一种具有光催化特性的双功能微胶囊相变储能材料及其制备方法
本专利技术涉及一种双功能微胶囊相变储能材料及其制备方法，尤其涉及以结晶型二氧化钛或元素掺杂的结晶型二氧化钛为壁材的具有光催化特性的双功能微胶囊相变储能材料及其制备方法。
技术介绍
能源是人类赖以生存和发展的基础。当今社会，随着全球工业的快速发展，能源也日益短缺。提高能源使用效率和开发可再生能源是目前人类面临的重要课题。其中，热能储存对能源材料的研究技术具有突出和重要的作用。相变储能是热能储存的一种方式，它是利用相变储能材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，这有助于提高能源利用效率和开发可再生能源。由于相变储能方式体积变化小、质量储存密度大，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。相变储能材料是一类可在特定温度下、通过发生结晶/熔融相态的变化来储存或释放大量潜热的功能材料，它可通过对工业废热或太阳热能存储及控制释放来提高能源利用效率并实现节能功效，也能通过温度调控使系统内部互相协调、实现物质能量转换达到最佳效果，从而减少对外部能量的消耗。因此，针对相变储能材料及其应用的研究已成为近年来功能材料领域中的热点之一。有机烷烃类石蜡、有机脂肪酸、酯和醇、无机水合盐等都是最常用的相变储能材料。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：它们每次吸放潜热过程都要经历固态→液态→固态的物理状态改变；当相变材料处于液态时很难稳定存在，极易泄漏、流失，导致其多次相变循环后相变可逆性变差，最终失效。弥补这一缺陷的最佳方法就是利用微胶囊技术，将相变储能材料包覆于坚韧的惰性材料内部，形成具有“核－壳”结构且直径为几十纳米至几十微米的微胶囊。目前国内外针对相变储能材料微胶囊化的报导主要集中在运用原位聚合、界面聚合和悬浮聚合等合成以聚合物为壳、有机相变材料为芯的相变材料微胶囊方面，然而，基于聚合物壁材的相变材料微胶囊在应用过程中也被发现存在诸多缺陷如壁材强度较低，应用过程中易导致微胶囊破裂、芯材泄漏和流失；壁材致密性欠佳，微胶囊的抗渗透性较差，影响使用寿命；聚合物导热性不佳，造成相变材料微胶囊的热响应减慢，易产生过冷现象等。为克服上述缺陷，近年来在相变储能材料研究领域中出现了一个新动向，即以无机材料为壁材合成相变储能材料微胶囊。无机材料具有聚合物无法比拟的高强度、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)和材质致密性高等特征，胶囊壁对相变材料的保护效果也更好。因此可有效改善传统相变材料微胶囊易破裂、易泄漏、易流失等缺陷，极大地提高抗渗透性和阻燃性，从而显著提高其使用寿命和可靠性。此外，由于无机材料与有机相变材料不相容，胶囊内壁的异相成核效应与壁材的高导热性协同作用，可有效防止相变材料出现过冷过热现象，缩短潜热吸收/释放响应时间，显著提升相变材料的热响应速率，从而诞生出新一代的高性能相变储能材料微胶囊。目前，已经有公开的制备有机/无机复合的微胶囊相变储能材料的专利技术专利。如中国专利CN101824307A，该专利中微胶囊壁材为二氧化硅，微胶囊芯材为石蜡类有机固—液相变储能材料，在低温条件下通过表面活性剂模板法合成了形状稳定的SiO2包覆石蜡类的微胶囊相变储能材料。如中国专利CN103146350A，该专利中微胶囊芯材为石蜡，微胶囊壁材为无定型二氧化钛，制备方法简单，具有自动温控功能，但壁材为无定型二氧化钛，其性质是惰性的，并无其它物理化学功效。如中国专利CN101555401A，该专利中微胶囊芯材为有机相变储能材料，微胶囊壁材包括至少两层，所制备的材料可具有多种功能。如美国专利US6270836B1，利用溶胶包覆法形成有机/无机微胶囊相变储能材料，但所制备的微胶囊材料只有储存释放热能实现控温的功能。随着研究的深入，我们发现有机/无机微胶囊相变储能材料除具有芯材的储热功能外，其无机壁材的特殊物理化学功效也值得深入开发，从而制备合成一种双功能有机/无机复合的微胶囊相变储能材料。二氧化钛具有很多优点。早在二十世纪早期，二氧化钛(TiO2)已经被用在油漆、软膏、牙膏中的添加剂、遮光剂和颜料等等。随着研究的深入，无毒、高的化学稳定性、高的光电转换效率、低廉和强的光催化活性等特点。这预示着二氧化钛与有机相变储能材料的结合在环境和能源等方面的巨大的潜在应用。二氧化钛主要晶形为金红石、锐钛型和板钛型三种，研究发现无论是单一晶形还是两种或三种混合晶形的二氧化钛都具有特别的功能，如锐钛矿和金红石都具有良好的光催化性，板钛矿和锐钛矿混合晶相二氧化钛具有氧化甲醛的功能。且处于结晶态的二氧化钛壁材可掺杂各种金属元素及离子、非金属元素、石墨烯，其光催化性能、导热性能可因此大幅提高，可广泛应用于太阳能、航空航天、建筑、纺织、电力、污水处理等多种领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有双功能的微胶囊相变储能材料。本专利技术所构建的微胶囊壁材为结晶型二氧化钛或元素掺杂的结晶型二氧化钛，具有光催化效能和高导热性、物理化学稳定性好、抗裂变、抗渗透性能好的特征。因此，本专利技术不仅提高了相变储能材料的相变储能和自动调温的能力，同时使相变储能材料具备了光催化活性，可广泛应用于太阳能利用、电力、建筑、污水处理、航空航天、纺织、等多种领域。本专利技术通过下述技术方案实现：一种以结晶型二氧化钛或元素掺杂的结晶型二氧化钛为壁材的双功能微胶囊相变储能材料，其配比如下：上述双功能微胶囊相变储能材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一，将表面活性剂按照2.0～3.4wt.％、溶剂为79.0～80.0wt.％、相变储能材料为6.0～10.0wt.％、钛源为4.5～8.5wt.％配比，加入到反应容器中以500～800rpm的搅拌速率搅拌形成稳定乳液；步骤二，配制溶剂与微量水的混合液，将其缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌5～6h；步骤三，加入质量百分比为0.0～4.0wt.％的二氧化钛结晶诱导助剂，升温至70℃继续搅拌24h后，将反应溶液室温下自然冷却，得到由结晶型二氧化钛包覆有机相变材料的微胶囊相变储能材料；步骤四，将上一步所得产物加入到金属溶液或非金属溶液中，45℃下搅拌4h，得到由元素掺杂的结晶型二氧化钛包覆有机相变材料的微胶囊相变储能材料。上述微胶囊芯材为相变储能材料包括高级脂肪族烷烃、醇、酸和酸酯，如正十七烷、正十八烷、正二十烷、石蜡、十六烷酸、硬脂酸等。上述微胶囊壁材为结晶型二氧化钛，包括锐钛矿、金红石、板钛矿和二氧化钛其它晶型中任意一种、两种或两种以上晶相的组合。上述微胶囊壁材所掺杂的金属元素包括Al、Fe、Co、Zn、Ca、Sr、Ba、Ga、Cr、Ce、Ln、Sn、Zr、Mo、Sb、Mn、Nb、V、Ni和Ta及其离子以及其中任意元素的组合，所掺杂的非金属元素包括C、Si、N、S、F、Cl、Br，掺杂元素占微胶囊壁材的质量百分比为0.0～2.0wt.％。上述钛源为钛酸酯类(优先选择钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯)、硫酸钛、硫酸氧钛、四氯化钛。上述表面活性剂包括阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、双(2–乙基己基)琥珀酸磺酸钠；阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵；非离子表面活性剂聚乙二醇(PEG)、OP–10、Span20、Span80、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有光催化特性的双功能微胶囊相变储能材料，其特征在于，微胶囊壁材为结晶型二氧化钛或元素掺杂的结晶型二氧化钛，微胶囊芯材为高级脂肪族烷烃、醇、酸和酸酯等有机相变储能材料。

【技术特征摘要】
1.一种具有光催化特性的双功能微胶囊复合相变储能材料的制备方法，其壁材为结晶型二氧化钛或元素掺杂的结晶型二氧化钛，芯材为高级脂肪族烷烃、高级脂肪醇、高级脂肪酸和高级脂肪酸酯其中一种或几种，并具有典型的“核－壳”结构特征，其制备方法的特征在于，包括以下步骤：步骤1，以表面活性剂为2.0～3.4wt.％、溶剂为79.0～80.0wt.％、微胶囊芯材为6.0～10.0wt.％、钛源为4.5～8.5wt.％的配比，加入到反应容器中搅拌形成稳定乳液，并使钛源分散在乳化液滴周围；步骤2，配制溶剂与水的混合液，将其缓慢滴加到上述溶液中，继续搅拌5～6h；步骤3，加入质量百分比为0.0～4.0wt.％的二氧化钛结晶诱导助剂，升温至70℃继续搅拌24h后，将反应溶液室温下自然冷却，得到由结晶型二氧化钛包覆有机相变材料的微胶囊相变储能材料；步骤4，该步骤为可选步骤，如果需对所制备的上述所制备的结晶型二氧化钛包覆有机相变材料的微胶囊壁材进行元素掺杂，需将上一步所得产物加入到含掺杂金属或非金属元素的盐溶液中，45℃下搅拌4h，得到由元素掺杂的结晶型二氧化钛包覆有机相变材料的微胶囊相变储能材料。2.按照权利要求1的双功能微胶囊相变储能材料的制备方法，其特征在于，所述钛源包括钛酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪晓东，柴路晓，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