相变纳微米胶囊的制备、表征及应用

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随着传统能源消耗不断增长,其价格日益上涨,如何提高能源利用率是重要研究课题。相变材料(PCMs)在相变时可以吸收或放出大量的热能,所以它们被广泛用于控温设备。由于使用温度在室温附近的相变材料多是进行液-固相变,液态时容易被污染制约了它们的应用。把相变材料微胶囊化是一种阻止它在使用过程中泄漏的有效手段,经此处理后的相变材料可以应用于纺织品、建筑材料、功能流体等领域。目前,最成熟的相变微胶囊是以密胺或脲醛树脂作为壁材,由于其特殊的化学结构,在使用中会放出甲醛等有害物质,对人们的健康起到不利影响,因此,以使用时无甲醛等有害物质释放,对生物体刺激小,对环境危害小的材料来制备微胶囊是未来研究的重点。
  采用界面聚合法,分别以聚氨酯和二氧化硅为主要壁材,石蜡为芯材,制备了纳/微米胶囊。聚氨酯胶囊由异佛尔酮二异氰酸酯和乙二醇、聚乙烯醇共同作用,在70℃下生成的体型高分子聚合物胶囊。将异佛尔酮二异氰酸酯和石蜡混合成油相,将聚乙烯醇、乙二醇和去离子水混合成水相,两相混合,由均质机作用形成微乳液后在超声细胞粉碎机作用下得到纳米乳液。将乳液升温到70℃,油相中异佛尔酮二异氰酸酯的异氰酸酯基和水相中的醇羟基反应,得到聚氨酯为壁材的纳米胶囊,所制备的纳米胶囊具有耐热性好、包埋率高、粒径可控等特点。二氧化硅纳米胶囊是由硅酸四乙酯和石蜡混合为油相,去离子水和乳化剂混合为水相,混合后超声制备纳米乳液,滴加一定量的乙酸并加热到45℃反应得到以二氧化硅为壁材的纳米胶囊。反应原料硅酸四乙酯、乙酸,产物乙醇和二氧化硅都具有生物毒性小和皮肤刺激性小的特点。本文的研究内容及成果包括以下几点:
  1.制备可以耐受240℃的聚氨酯纳米胶囊,最优包埋率88.8%,粒径在250-650纳米之间可控,可用于纺丝,在240℃以下不失重,耐热能力已经可以满足所有染整加工的要求,红外图显示,纳米胶囊表面富有羟基,与天然纤维的亲和力好,讨论了所制备纳米胶囊可以耐受高温的原因。在聚氨酯胶囊制备时加入少量硅酸四乙酯,将二氧化硅掺杂入聚氨酯,消除了过冷现象。
  2.用制备的纳米胶囊对棉布和涤纶布进行后整理,研究了织物的蓄热能力,讨论了不同整理方法对所得产品的耐水洗性、耐摩擦性和柔软性的影响,其中以热熔染色法处理的涤纶纤维具有好的耐水洗性能,以柠檬酸处理的棉纤维具有良好的耐摩擦性能。
  3.制备了高相变焓的纳米二氧化硅胶囊,其粒径在100-450纳米之间可控。探索了二氧化硅胶囊的成型机理,研究了乙酸滴加量、硅酸四乙酯用量和加入电解质量对包埋率的影响。研究发现醋酸、硅酸四乙酯和电解质的用量对包埋率有重大影响。
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