基于水性聚氨酯壳材相变储能微胶囊的制备与性能研究

摘要

微胶囊是一类具有核壳结构的粒子或者离子簇，粒径为纳米或微米级别。微胶囊的壳材一般选用高分子材料，芯材选用相变材料，微胶囊通常具有较高的热能储存密度以及熔化潜热，易于涂层，从而表现出多种多样的优异性能。在军事领域、建筑领域、纺织领域、功能热流体领域和保温材料等方面有着广泛的应用。微胶囊的粒径和形态取决于壳材和芯材的选择及制备工艺条件，本文制备了三种不同类型的水性聚氨酯，分别为非离子型聚氨酯、阴离子聚氨酯和阳离子聚氨酯,以其作为微胶囊的壳材，选用石蜡和正十八烷为芯材，采用悬浮聚合法制备了聚氨酯/石蜡、聚氨酯/正十八烷相变储能微胶囊，具体如下： （1）选用聚乙二醇（PEG）和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）为主要原料合成了具有特殊结构的非离子型聚氨酯，通过红外光谱（FTIR ）、核磁共振波谱（1HNMR）和凝胶色谱（GPC）对其化学结构及分子量进行了表征。采用跟踪测试乳化过程中电阻率变化的方法对自制非离子型聚氨酯乳化过程机理进行了探讨。然后采用乳液聚合法以非离子型聚氨酯作为壳材，分别以石蜡和正十八烷为芯材制备了非离子型聚氨酯/石蜡、非离子型聚氨酯/正十八烷纳米微胶囊。采用马尔文激光粒度仪（LDSA）、差式扫描量热法（DSC）、热重分析（TG）对微胶囊的粒径分布、相变潜热以及热稳定性进行了分析，并利用透射电子显微镜（TEM）研究了纳米微胶囊的微观结构，及纳米微胶囊的再分散性能。研究结果表明，合成的非离子型聚氨酯不含有残余的异氰酸酯基团，产物中有氨基甲酸酯基团，数均分子量为3.5万左右，且分子量分布较窄。非离子型聚氨酯的电导率测试结果与乳化机理相对应；随着石蜡和正十八烷含量的增加，非离子型聚氨酯纳米微胶囊的粒径不断增加，峰面积逐渐增加，即熔融相变焓逐渐增加，微胶囊的耐热温度在200℃左右。纳米微胶囊的平均粒径在240-485 nm之间，微胶囊在透射电镜下显示清晰的核壳结构，在高速剪切条件下，纳米胶囊具有较好的稳定性，干燥的微胶囊粉末具有较好的再分散能力，将粉末加水搅拌即可获得稳定的分散剂，再分散体的凝聚率均小于1.8 wt %，其平均粒径在420-675 nm之间。再分散前后的熔融焓和相变温度几乎没有变化，进一步表明自制的非离子型聚氨酯作为壳材在微胶囊应用中具有良好保护芯材的作用。 （2）本文合成了带有二羟甲基丁酸（DMBA）为亲水扩链剂的阴离子型聚氨酯预聚体，用FT-IR、GPC表征了阴离子型聚氨酯的化学结构，用其包覆石蜡得到了阴离子型聚氨酯/石蜡纳米微胶囊，对石蜡乳化过程的电导率变化情况进行跟踪，研究了不同石蜡含量对阴离子型聚氨酯微胶囊的粒径和乳液稳定性的影响，研究了微胶囊的微观结构以及相变潜热。然后以正十八烷为芯材，以自制的阴离子聚氨酯为壳材，利用阴离子型聚氨酯的自乳化性，制备了阴离子聚氨酯/十八烷的纳米微米胶囊相变材料。结果表明，当油相浓度为50%时，体系的电导率出现峰值，而且乳化石蜡后的电导率要比自乳化的电导率小，微胶囊具有良好的导热性；阴离子型聚氨酯/十八烷纳/微米胶囊相变材料的相变焓可达80 J/g，在电镜中可观察到明显的核壳结构，纳/微米胶囊相变材料几乎无过冷现象。 （3）选用蓖麻油改性二元醇（AC006）、六亚甲基二异氰酸酯（HDI）和N-甲基二乙醇胺（MDEA）作为扩链剂制备了阳离子型聚氨酯，用FT-IR和GPC技术表征阳离子聚氨酯树脂的分子结构和分子量大小。以石蜡为芯材制备了阳离子型聚氨酯/石蜡微胶囊，采用LDSA、DSC等手段对微胶囊的尺寸和相变潜热进行了研究。实验结果表明，所制备的阳离子型聚氨酯的乳化能力较好，乳液均匀透明；随石蜡芯材的含量增加，微胶囊悬浮液的粒径逐渐增大；引发剂用量在0.125%左右时候微胶囊的粒径以及分布最佳，相同石蜡含量的微胶囊，用苯乙烯（St）做交联剂制备微胶囊的粒径较二缩三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）作交联剂时小，随着石蜡含量的增加，微胶囊的吸热峰位置基本不变，而吸热峰面积随之增大，熔融热焓（ΔHm）和结晶热焓（ΔHc）也随之增加。

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刘尧

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