基于聚合物壳层的相变微胶囊及其制造方法技术

本发明专利技术提供基于聚合物壳层的相变微胶囊及其制造方法。本发明专利技术的基于聚合物壳层的相变微胶囊包括：相变芯材、和包覆所述相变芯材的复合壁材，其中，所述复合壁材由包含Janus颗粒和壳层聚合物的壁材组合物形成。本发明专利技术的基于聚合物壳层的相变微胶囊具有可控相变温度，其储热密度高且焓值保有率高。本发明专利技术的基于聚合物壳层的相变微胶囊的制造方法可以自由调控相变材料的相变温度，高效地控制相变材料和Janus颗粒的比例，并且工艺简单，生产周期短，具有工业批量生产的前景。

【技术实现步骤摘要】
基于聚合物壳层的相变微胶囊及其制造方法
本专利技术涉及一种基于聚合物壳层的相变微胶囊及其制造方法，尤其涉及一种具有可控相变温度、高储热密度且焓值保有率高的高焓值相变微胶囊及其制造方法。
技术介绍
日益增长的能量消耗要求人们能够更有效地生产、储存和利用能量。作为人类最早使用的能源之一的热能的浪费是不可忽视的一大现象，节约热能、提高热能使用效率是刻不容缓的技术挑战。利用相变材料的相变潜热进行能量的储存(蓄冷、蓄热)是一项新型的环保节能技术，其具有温度变化小、储热密度高的优点，使其在太阳能的利用、工业余热和废热的回收、空调节能、建筑采暖等领域具有广阔的应用前景。由于相变材料是利用其在固液转变时的吸放热现象来进行热能管理，因此其在液态下的泄露和固液转变时的变形等是相变材料实际使用时的重大缺陷。相变材料的微胶囊化是解决上述泄露和变形的重要技术手段。该技术一般首先利用乳化技术，获得均一分散的相变材料液滴(颗粒)；而后运用化学或物理手段在相变材料颗粒表面包覆一层性能稳定的壳层；最终获得的相变微胶囊在相变过程时，其相变内核发生固液转变，而壳层保持为固态，从而解决了相变材料的泄露和变形。因此，该微胶囊技术的关键点在于相变材料的乳化和稳定壳层的制备。相变微胶囊的乳化过程可选用传统的乳化剂，例如可列举出乙烯甲基醚-顺丁烯二酸酐共聚物的钠盐水解物、异丁烯-马来酸酐共聚物的钠盐水解物、苯乙烯-马来酸酐共聚物的钠盐水解物、乙烯-马来酸酐共聚物的钠盐水解物、丙烯酸或甲基丙烯酸与苯乙烯、乙烯、乙烯醇、醋酸乙烯酯、甲基丙烯酰胺、异丁烯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或丙烯腈共聚而得的共聚物、聚乙烯基苯磺酸、聚乙烯基苯磺酸钠、乳化剂OP-5、乳化剂OP-10、吐温20(Tween20)、吐温60(Tween60)、吐温80(Tween80)、聚乙二醇辛基苯基醚X-100(TritonX-100)、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化胺和珀酸二辛酯磺酸钠等。近年来，Pickering乳液也被广泛应用于相变微胶囊的制备，多种纳米颗粒可作为Pickering乳液的稳定剂，例如可列举出二氧化钛、氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化铁、二氧化硅、氧化石墨烯、高岭石矿物、凹凸棒石和多壁碳纳米管等。根据制备方法的不同，可获得具有不同壳层材料(壁材)的相变微胶囊，目前壳层材料大多选用单一的有机物或无机物。作为有机壁材的实例，例如可例举出：专利文献1中提及的聚氨酯壁材、专利文献2中提及的聚脲壁材、专利文献3中提及的三聚氰胺改性脲醛树脂基壁材等。作为无机壁材，例如可例举出：专利文献4中提及的二氧化硅基壁材、专利文献5中提及的利用氧化石墨烯在相变材料表面凝聚获得相变微胶囊等。然而，目前公开的相变微胶囊仍然存在一定的缺陷，本专利技术人经过大量研究发现，其主要问题来源于不同相变微胶囊制备技术本征的缺点和不足。尽管相变微胶囊的乳化过程灵活可控，但是不同乳化手段的缺陷不可忽视。例如，传统低分子乳化剂只有在较大的使用量下才能形成稳定的乳液，大量乳化剂的使用增加了成本和环境压力；大分子乳化剂成本较高，同时乳化剂稳定性较差；Pickering乳液所使用的纳米颗粒需要进行表面改性，从而增加了工艺工序，并且产品稳定性很难得到保证。另一方面，单一的有机壁材或无机壁材是现阶段相变微胶囊的另一个不可忽视的缺陷。尽管如聚氨酯、三聚氰胺改性脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂等的有机壁材具有较好的封装效果，但是导热系数较低，同时在所包覆的相变材料中残留着大量的可挥发有机物(例如，甲醛)，而这极大地限制了相变材料的应用。更甚者，大多数有机壁材都可燃，具有诸多安全隐患。另外，大多数无机壁材虽然具有一定的阻燃性、相变温度较恒定、储能密度较大等优点，但是其封装效果较差、壁材较脆，限制了无机壁材的应用。现有技术文献专利文献专利文献1：CN110255959A专利文献2：CN110215885A专利文献3：CN107722943A专利文献4：CN107513375A专利文献5：CN103752234A
技术实现思路
专利技术要解决的问题本专利技术的目的之一在于，提供具有可控相变温度、高储热密度且焓值保有率高的高焓值相变微胶囊。另外，本专利技术的另一目的在于，提供高焓值相变微胶囊的制造方法，该制造方法可以自由调控相变材料的相变温度，可以高效地控制相变材料和Janus颗粒的比例，并且，工艺简单，生产周期短，具有工业批量生产的前景。用于解决问题的方案本专利技术人等为了解决上述课题，进行了深入研究，从Janus颗粒的可设计性出发，结果发现：通过在Janus颗粒稳定的Pickering乳液中聚合反应诱导相分离获得聚合物壳层，从而能够获得相变温度可调且焓值保有率高的相变微胶囊，可以解决上述课题，从而完成了本专利技术。本专利技术是基于上述发现而完成的。即，本专利技术如下所述。[1]一种基于聚合物壳层的相变微胶囊，其包括：相变芯材、和包覆所述相变芯材的复合壁材，其中，所述复合壁材由包含Janus颗粒和壳层聚合物的壁材组合物形成。[2]根据[1]所述的相变微胶囊，其中，所述Janus颗粒包括无机物-聚合物型Janus颗粒、聚合物-聚合物型Janus颗粒或无机物-无机物型Janus颗粒。[3]根据[1]或[2]所述的相变微胶囊，其中，所述相变芯材由包含相变材料的相变组合物形成，所述相变材料包括选自由烃类化合物、脂肪酸类化合物、醇类化合物和酯类化合物组成的组中的至少一种。[4]根据[3]所述的相变微胶囊，其中，所述烃类化合物包括选自由具有8至100个碳原子的脂肪族烃基化合物、具有6至120个碳原子的芳香族烃基化合物、具有6至100个碳原子的脂环族烃基化合物和石蜡组成的组中的至少一种，所述脂肪酸类化合物包括选自由癸酸、月桂酸、十四烷酸、十五烷酸、硬脂酸和二十烷酸组成的组中的至少一种，所述醇类化合物包括选自由丁四醇、十二烷醇、十四烷醇、十六烷醇和赤藻糖醇组成的组中的至少一种，所述酯类化合物包括选自由月桂酸纤维素酯和硬脂酸十六烷酯组成的组中的至少一种。[5]根据[1]～[4]中任一项所述的相变微胶囊，其中，所述壳层聚合物由聚合反应诱导相分离法获得，优选地，形成所述壳层聚合物的聚合单体包含选自由苯乙烯系单体、(甲基)丙烯酸酯系单体和二烯烃系单体组成的组中的至少一种。[6]根据[1]～[5]中任一项所述的相变微胶囊，其中，所述相变微胶囊的相变潜热为20～250J/g，优选地，所述相变微胶囊的焓值保有率为20～99％，优选地，所述相变微胶囊的平均粒径为0.1～500μm，优选地，所述相变微胶囊的相变温度为-50～150℃。[7]一种根据[1]～[6]中任一项所述的基于聚合物壳层的相变微胶囊的制造方法，其包括：(a)配制分散相：将聚合单体和引发剂溶于熔融的相变材料中，将该分散体系作为分散相；(b)配制连续本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于聚合物壳层的相变微胶囊，其特征在于，其包括：相变芯材、和包覆所述相变芯材的复合壁材，/n其中，所述复合壁材由包含Janus颗粒和壳层聚合物的壁材组合物形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于聚合物壳层的相变微胶囊，其特征在于，其包括：相变芯材、和包覆所述相变芯材的复合壁材，
其中，所述复合壁材由包含Janus颗粒和壳层聚合物的壁材组合物形成。


2.根据权利要求1所述的相变微胶囊，其特征在于，所述Janus颗粒包括无机物-聚合物型Janus颗粒、聚合物-聚合物型Janus颗粒或无机物-无机物型Janus颗粒。


3.根据权利要求1或2所述的相变微胶囊，其特征在于，所述相变芯材由包含相变材料的相变组合物形成，所述相变材料包括选自由烃类化合物、脂肪酸类化合物、醇类化合物和酯类化合物组成的组中的至少一种。


4.根据权利要求3所述的相变微胶囊，其特征在于，所述烃类化合物包括选自由具有8至100个碳原子的脂肪族烃基化合物、具有6至120个碳原子的芳香族烃基化合物、具有6至100个碳原子的脂环族烃基化合物和石蜡组成的组中的至少一种，
所述脂肪酸类化合物包括选自由癸酸、月桂酸、十四烷酸、十五烷酸、硬脂酸和二十烷酸组成的组中的至少一种，
所述醇类化合物包括选自由丁四醇、十二烷醇、十四烷醇、十六烷醇和赤藻糖醇组成的组中的至少一种，
所述酯类化合物包括选自由月桂酸纤维素酯和硬脂酸十六烷酯组成的组中的至少一种。


5.根据权利要求1～4中任一项所述的相变微胶囊，其特征在于，所述壳层聚合物由聚合反应诱导相分离法获得，
优选地，形成所述壳层聚合物的聚合单体包含选自由苯乙烯系单体、(甲基)丙烯酸酯系单体和二烯烃系单体组成的组中的至少一种。


6.根据权利要求1～5中任一项所述的相变微胶囊，其特征在于，所述相变微胶囊的相变潜热为20～250J/g，
优选地，所述相变微胶囊的焓值保有率为20～99％，
优选地，所述相变微胶囊的平均粒径为0.1～500μm，
优选地，所述相变微胶囊的相变温度为-50～150℃。


7.一种根据权利要求1～6中任一项所述的基于聚合物壳层的相变微胶囊的制造方法，其特征在于，其包括：
(a)配制分散相：将聚合单体和引发剂溶于熔融的相变材料中，将该分散体系作为分散相；
(b)配制连续相：将Janus颗粒分散于极性溶剂中，将该分散体系作为连续相；
(c)将所述工序(a)中得到的分散相分散于所述工序(b)中得到的连续相中，形成Pickering乳液；以及
(d)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨振忠，梁福鑫，桂豪冠，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11