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正十二醇相变储热微/纳米胶囊的制备、表征及其应用研究

余飞  
【摘要】: 随着全球工业的高速发展,全球能源日益短缺。利用相变材料相变过程中的相变潜热来实现能量的储存和利用,有助于提高能效和开发可再生能源,但是相变材料本身存在相变过程中流动、相容性差和腐蚀性等问题。采用微/纳米胶囊化技术,制备新型相变储热复合材料,是解决上述问题的有效手段。本论文通过原位聚合法,将具有较高相变潜热、较合适相变温度的相变材料正十二醇封装在三聚氰胺-甲醛树脂内,制备了相变储热微胶囊,并用多种改性剂对其进行改性;通过细乳液聚合法,制备了以正十二醇为芯材、以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为壁材的相变储热纳米胶囊;将正十二醇相变储热微胶囊和纳米胶囊分别加入到普通石膏板和水性涂料中,制备了具有相变储热功能的复合石膏板和水性复合涂料。研究了正十二醇相变储热微胶囊和纳米胶囊的结构与性能,测试了相变储热石膏板和相变储热水性涂料的储放热特性,对其在节能领域的应用进行了探索,为其实际应用提供了技术依据。论文的研究内容和成果包括如下四点。 第一:以相变材料正十二醇为包封对象,以三聚氰胺和甲醛为单体,通过原位聚合法,制备了以三聚氰胺-甲醛树脂为壁材、以正十二醇为芯材、具有较高相变潜热、较合适相变温度、结构致密的相变储热微胶囊,应用差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TG)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶红外光谱仪(FTIR)和激光散射粒度分析仪等手段,研究了乳化剂种类、乳化剂用量、相变材料极性、乳化搅拌速度以及芯材投料质量分数等对微胶囊储热性能、包封效率以及微胶囊形貌的影响,并对正十二醇相变储热微胶囊的形成机理进行了探讨。发现乳化剂的乳化分散作用和电荷效应对微胶囊的形成起到重要作用,阴离子型苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)乳化剂SMA1000HNa有助于三聚氰胺-甲醛树脂对正十二醇的包封。正十二醇相变储热微胶囊最佳的制备条件是乳化搅拌速度为4500 r/min,乳化剂相对相变材料质量分数为4.8%,芯材投料质量分数为81%,所制备的微胶囊相变潜热达最高值187.5J/g,相变材料包封效率为93.1%,相变温度为21.5℃,平均粒径为30.6μm,多分散指数为1.190。 第二:分别以亲水型纳米SiO2、氯化钠以及聚乙烯醇(PVA)等三种物质作为改性剂,对三聚氰胺-甲醛树脂进行改性,通过原位聚合法,制备了以改性三聚氰胺-甲醛树脂为壁材、正十二醇为芯材的改性相变储热微胶囊,探讨了改性剂类型和改性剂用量对微胶囊储热性能、破损率及表面形貌的影响,用DSC、SEM和FTIR等手段对其进行了表征。发现随着改性剂用量的增加,微胶囊的相变潜热都是先增加后降低的,破损率都是先降低后增加的。PVA的改性效果最佳,改性相变储热微胶囊的综合性能最好,当其用量为2%时,微胶囊相变潜热提高了16.9%,破损率降低了68.6%。 第三,以相变材料正十二醇为包封对象,以甲基丙烯酸甲酯(MMA)为主单体,应用可聚合型乳化剂DNS-86,以正十六烷(HD)为助乳化剂,通过细乳液聚合法,制备了以PMMA为壁材、以正十二醇为芯材、具有较高相变潜热、较合适相变温度、形态规整度高的相变储热纳米胶囊,采用DSC、TG、FTIR、透射电子显微镜(TEM)以及激光粒度分析仪等手段,研究了乳化剂、助乳化剂、引发剂、共聚单体以及芯材投料质量分数等对纳米胶囊结构与性能的影响,探讨了正十二醇相变储热纳米胶囊的形成机理。发现助乳化剂HD的使用,并采取加入水相液的方式,有助于PMMA对相变材料正十二醇的包封。PMMA-正十二醇纳米胶囊最佳的制备条件是乳化剂DNS-86用量(相对油相液质量分数)为3%,助乳化剂正十六烷用量(相对油相液质量分数)为2%,油溶性引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)用量(相对单体质量分数)为2%,芯材正十二醇投料质量分数为48%,制备的纳米胶囊相变潜热及相变材料包封效率分别为98.8J/g和82.2%,相变温度为18.2℃,粒径主要分布在50nm到100nm的范围内。亲水共聚单体丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)的加入,有助于对相变材料正十二醇的包封。当AM用量(相对单体总质量)为4%时,胶囊相变潜热及相变材料包封效率增加至最高值,分别为109.3J/g和91.6%。 第四,将正十二醇相变储热微胶囊和纳米胶囊分别加入普通石膏板和水性丙烯酸酯涂料中,制备了具有储热功能的复合石膏板和水性丙烯酸酯复合涂料,研究了储热胶囊对其储热性能、调温性能、隔热性能等的影响,用石膏板建立了建筑物房间模型,模拟在碘钨灯照射下模型内部温度的变化情况,测试了相变储热石膏板和相变储热水性丙烯酸酯涂料在模型上的应用效果。发现相变储热石膏板和相变储热水性丙烯酸酯涂料的相变潜热和储热效果随相变储热胶囊含量增加而增加。当相变储热石膏板中微胶囊含量为30wt%时,其相变潜热为45.6J/g,从10℃升温到48℃所需时间增加了130%,从48℃降温到10℃所需时间增加了120%,其建筑物模型内部温度比普通石膏板模型低4℃。当相变储热水性丙烯酸酯涂料中纳米胶囊含量为50wt%时,其相变潜热为54.3J/g,涂层温度比不含储热胶囊的涂层低2.5℃,相变储热涂层石膏板模型内部温度比普通石膏板模型低2.5℃。


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