您好, 访客   登录/注册

新型微胶囊相变材料的研制及其性能表征

来源:用户上传      作者: 周天池马志鹏

  采用界面聚合法制备微胶囊相变材料,以硬脂酸丁酯为芯材,以单体2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)和二乙烯三胺(DETA)反应形成的聚脲树脂为壳体。研究了芯材壁材比对微胶囊包封率和热稳定性的影响
  MicroPCMs containing a phase change material (PCM) of butyl stearate was synthesized by interfacial polymerization of toluene-2,4-diisocyanate (TDI) and diethylene triamine (DETA). The effect of core-to-shell ratio was investigated on encapsulation efficiency and heat stability of the prepared microcapsules.
  
  相变材料是近些年来所开发的一种新型材料,它利用相变材料在相变过程中的吸热或放热,进行热能的存储或释放,从而达到调控环境温度和对热量加以利用的目的。将相变材料做成微胶囊,利用相变材料的相变潜热来实现能量的储存和利用,是近年来纺织材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。目前,在微胶囊相变材料的制备过程中多选用三聚氰胺甲醛树脂(MF)、脲醛树脂(UF)作为壁材,所制备的微胶囊强度较高、耐热性能好。然而,当使用MF和UF做壁材时会存在游离甲醛的释放问题,从而给环境和健康带来不良影响。聚脲树脂囊壁中不含甲醛成分,有利于改善制备与使用环境中的环保特性而受到重视。
  1 实验部分
  1.1 试剂及原料
  硬脂酸丁酯,二乙烯三胺(DETA),甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI,80%),均为分析纯;OP-10(烷基酚聚氧乙烯醚),为工业品。
  1.2 微胶囊的制备
  在30 ℃时将浴Ⅰ(5 g TDI和不同重量硬脂酸丁酯的混合物)加入到含有 3 g乳化剂OP-10的200 mL蒸馏水溶液中,并在7 000 rpm的转速下持续搅拌10 min,然后将浴Ⅱ(2.8 g DETA的40 mL蒸馏水溶液)缓慢加入到上述体系中,保温反应30 min,继续升温至60 ℃保温反应 3 h,降温,出料。
  1.3 微胶囊相变材料的测试
  使用SL-N电子天平(上海明桥精密科学仪器公司,中国)测试相关材料及所制备微胶囊相变材料的重量,以评价所制备微胶囊相变材料的包封率及重量损失情况。
  使用Nicolet 5700(尼高力仪器公司,美国)傅立叶变换红外光谱仪来观察芯材硬脂酸丁酯及所制备微胶囊的化学结构,试样制备采用溴化钾研磨压片法。
  微胶囊的相变性能用DSC822e(梅特勒-托利多公司,瑞士)差示扫描量热仪来测定,以氮气作为保护气,升温速率 5 ℃/min。
  使用TAQ500(美国TA仪器公司,美国)热重分析仪测量样品的热稳定性,升温速率10 ℃/min。
  2 结果与讨论
  2.1 芯材壁材比影响
  微胶囊相变材料的包封率是测试其包裹性能的一个重要的参数,分别制备了不同芯材壁材比的微胶囊相变材料,测其干重并计算其包封率,结果见表 1 所示。
  由表 1 可以看出,微胶囊的干重随着芯材的增加而增加。在高的芯材壁材比的情况下,微胶囊的实际干重很低,而理论干重却很高,这是由于在高的芯材壁材比情况下,由于壁材量的不足而导致胶囊壳体的形成不充分。当芯材壁材比较低时,理论干重也较低,而实际干重由于良好的壳体的形成而随着芯材壁材比的增加而增加。在较低的芯材壁材比情况下微胶囊的包封率很高,这是由于足够的壁材存在下,可以充分地形成聚合物壳体。
  
  2.2 红外光谱分析
  图 1 为所制备微胶囊相变材料红外光谱图,其中(a)为芯材硬脂酸丁酯,(b)为芯材壁材比为 3 时所制得的微胶囊的红外光谱图。
  
  图 1(a)中1 736 cm-1为硬脂酸丁酯C=O键伸缩振动吸收谱带,2 921、2 851cm-1附近为亚甲基、次甲基的C―H键伸缩振动谱带。(b)中3 310 cm-1处为N―H键的伸缩振动,1 647cm-1处为C=O键的伸缩振动,表明脲基已经形成;而在2 220 ~ 2 280 cm-1处无明显吸收谱带,则可说明异氰酸根(N=C=O)已完全反应掉,这些数据表明微胶囊的壁材为聚脲结构。952、811 cm-1 处为苯环 1,2,4 三取代的特殊振动吸收谱带。
  2.3 相变行为分析
  当芯材壁材比为 3 时,采用差示扫描量热仪对微胶囊相变材料进行测试,结果见图 2。
  从图 2 可以看出,芯材硬脂酸丁酯的相变温度(Tm)为23.2 ℃,相变焓(∆Hm)为122 J/g;胶囊化后相变材料的Tm为24.3 ℃,∆Hm为84 J/g,储热明显。由此可以看出,胶囊化后材料的相变温度基本没有变化,也就是相变行为没有发生改变,但是相变热却有所减少,这是因为胶囊化后由于囊壁的存在,使得相变材料的能量密度减少,相变热减少。
  
  2.4 热重分析
  目前大多采用热重(TG)与微分热重(DTG)分析来表征所制备MicropCMs的耐热稳定性能,耐热温度一般是指等速升温过程中,微胶囊失重质量分数为 5%时所对应的温度。当芯材壁材比为 3 时,所制备微胶囊的热重(TG)与微分热重(DTG)曲线见图 3 所示。
  
  从图 3 中可以看出,所制备微胶囊的耐热温度为163 ℃,最大失重温度为233 ℃。当温度升至200 ℃时,所制备微胶囊的重量保留率高达83%,由此说明当把芯材硬脂酸丁酯微胶囊化后,当温度超过硬脂酸丁酯的沸点时,仍有大量的芯材由于胶囊壳体的保护而未发生泄漏。所制备微胶囊的热失重分为两个阶段,第一个阶段表现在160 ~ 294 ℃区间,主要是由于芯材的挥发造成的,第二个阶段表现为294 ~ 420 ℃的区间,可能是由于壳体材料的热解造成的。
  3 结论
  采用界面聚合方法制备用聚脲壳包覆包含硬脂酸丁酯作为相变材料的微胶囊,结果显示,微胶囊的产率随着芯材壁材比例的增加而下降;微胶囊相变材料相变温度为24.3 ℃,相变热84 J/g,储热效果明显;热重分析表明耐热温度为163 ℃;所制备的微胶囊具有良好的包封率和稳定性。
  参考文献(略)


转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-1702790.htm