基于界面聚合法制备相变胶囊及其应用研究

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随着人们对能源需求的不断增加和化石燃料的过度使用,环境问题日趋恶化,全球都致力于寻求新的能源供给与利用方案。相变材料是一种可以在保持温度不变的情况下通过转变其自身状态来实现热量储存和释放的物质,具有方便储存和储能密度高等优点,但相变材料在直接使用过程中存在诸多问题,石蜡类相变材料存在泄露、易燃等缺点,而无机水合盐类相变材料存在的物理和化学性质极不稳定、腐蚀金属容器以及相分离等缺点极大限制了相变材料的使用范围,相变材料胶囊化封装是解决这一问题的重要技术之一。本论文通过界面聚合法分别对正十八烷和十二水磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)进行了高效封装,表征了它们的热物理性能,并研究了应用它们在建筑涂料和纺织织物上的调温性能。研究内容如下:(1)利用界面聚合法在无水条件下制备了正十八烷@聚脲相变微胶囊,并探究了不同芯壳质量比、反应温度以及反应时间对制备聚脲封装正十八烷相变微胶囊热性能的影响,当芯壳质量比为1:1.4、反应温度为50℃、反应时间为10分钟时,合成的正十八烷@聚脲相变微胶囊的包覆率最佳,其熔融、凝固焓分别为151.80 J/g和151.97 J/g,相对应的相变温度为27.36℃和26.01℃,包覆率为67.5%,200次加热-冷却循环后,焓值仅损失3.2%。通过傅里叶红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)的结果证实,正十八烷被聚脲外壳紧密封装,且两者为物理结合,胶囊粒径在10~30 um左右。(2)研发基于相变微胶囊的复合相变涂料,研究相变微胶囊在被动建筑节能方面的调温作用。采用特别的工艺,将相变微胶囊粉末与干粉涂料混合制得复合相变涂料,刷在自制实验小房子的内墙墙面上,对室内温度进行测试。研究结果表明,当相变微胶囊的含量为30%时,复合相变涂料的熔融、凝固焓分别为45.50 J/g和45.55 J/g,相应的相变温度分别为27.29℃和25.38℃,经过200次加热-冷却循环后,相变焓值仅降低了0.3%,具有优异的循环热稳定性。随后,按照国家标准对复合相变涂料进行耐洗刷性、耐水性以及附着力等性能测试,所制备的复合相变涂料均达到国家标准。最后,在相同条件下比较了涂刷复合相变涂料与涂刷传统涂料的测试小房子的热性能,当加热量为80 W/m~2时,涂刷复合相变涂料的测试小房子将26~28℃的室内温度维持77分钟,而刷涂传统涂料的测试室只能维持13分钟。由此证明,复合相变涂料具有维持室内温度,提高室内热舒适性,减少空调能耗的性能。(3)基于界面聚合法在较低温度下快速完成对Na2HPO4·12H2O@聚脲相变纳米胶囊的制备,并探究了反应温度、补加水量以及芯壳质量比对Na2HPO4·12H2O@聚脲相变纳米胶囊的包覆率和循环热稳定性的影响。当反应温度为50℃,补加水量为30%,芯壳质量比为3:3.5时,合成的Na2HPO4·12H2O@聚脲相变纳米胶囊的包覆率和循环热稳定性最佳,其熔融、凝固焓分别为156.30 J/g和136.33 J/g,包覆率为62.4%,加热-冷却循环1000次后样品的焓值基本不变,且无相分离现象。通过FTIR,XRD测试证明相变纳米胶囊具有良好的化学稳定性;通过耐热性测试表明聚脲壳层可以防止水合盐在加热过程中脱水;金属腐蚀性测试表明,对水合盐进行胶囊化封装是解决其腐蚀金属的可行性方案。(4)在获得无腐蚀、高稳定性的水合盐相变纳米胶囊的基础上,进一步研究其在纺织领域中的热管理性能。将相变纳米胶囊粉末与聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)溶液共混制备得到相变蓄热PVB混合溶液,采用压制工艺将其涂覆于织物上,制备得到相变智能调温织物,相变调温织物的融化、凝固温度分别为32.78℃和17.85℃,熔融、凝固焓分别为55.61 J/g和50.14 J/g;进一步实验探究了此织物在红外线灯照射下调温性能,发现涂有相变材料的织物可以延缓织物表面温度的上升,起到调节温度的作用。
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