正十八烷相变复合膜与微胶囊的制备及其结晶行为研究

摘要

相变材料在经历物态变化时，能吸收或者是放出大量的相变潜热，而本体的温度却不发生改变，是一种可循环反复使用的环保型材料。目前它已经广泛应用于恒温储存、蓄热调温衣物、环保节能建筑、太阳能蓄热等领域。相变材料薄膜及微/纳胶囊的应用前景就更加广泛了，然而随着储存相变材料容器尺度的变化，其结晶性能也会发生改变，当容器尺度减小时，相变材料将不能在要求的温度区间内结晶放热，从而限制了其在微/纳领域的应用。本论文紧跟国际前沿，在借鉴了国内外微/纳尺度内相变材料的制备方法及其结晶性能变化研究的基础上，探究相变材料相变复合膜的结晶温度变化和相变材料微胶囊的过冷结晶行为，以期获得一种能高效的抑制过冷结晶的成核剂，拓宽其在微/纳领域的应用。
　　本论文首先通过可控/活性自由基聚合的方法制备聚甲基丙烯酸甲酯-聚苯乙烯(PMMA-b-PS)嵌段共聚物，控制其自组装获得可吸附相变材料的纳米多孔膜，通过吸附相变材料正十八烷(n-Oct)，制备成n-Oct相变复合膜;其次，通过自由基悬浮聚合法分别制备以包括聚乙烯蜡(PE-6000)在内的两种添加剂分散在n-Oct中的复合体系为囊心，交联的聚甲基丙烯酸甲酯为囊壁的微胶囊。采用场发射扫描电子显微镜、差示扫描量热仪、热重分析仪、核磁共振波谱仪等测试方法，对嵌段共聚物的结构，n-Oct相变复合膜和微胶囊的表面形貌、相变蓄热性能和结晶行为等进行了系统的研究分析，研究结果表明:
　　1.成功制备出了分子量为6.2×104的双亲性嵌段共聚物PMMA-b-PS，嵌段比例约为1∶1。通过溶剂熏蒸和高温退火的方法控制嵌段共聚物的自组装，并运用紫外刻蚀技术除去PMMA段，形成了以PS为基底，刻蚀掉的PMMA段为孔的薄膜。薄膜均一性较好，孔直径80 nm，间距200 nm左右。溶剂熏蒸时，嵌段共聚物处在过饱和蒸汽压下，抑制了链段的扩散速度和相分离速度，更容易制备出孔径较小，均一性较好的纳米蚀孔膜。
　　2.纳米蚀孔膜具有吸附能力，可以吸附n-Oct形成相变复合膜，相变复合膜较本体n-Oct的熔融起始温度由21.0℃降低到18.0℃，出现了超微粒子特有的热性质，熔点下降。结晶起始温度由本体的25.1℃降低到20.2℃，出现了相变材料在微/纳尺度下特有的过冷结晶行为。
　　3.通过对纳米ZnO和PE-6000成核剂的比较，得出纳米ZnO对抑制过冷结晶行为的作用十分微弱，仅将MicroPCMs的过冷度由8.0℃降低到了6.9℃，而且会对微胶囊的壁材结构造成一定破坏，不是理想的成核剂。PE-6000既是成核剂，又是相变材料，它的加入不会影响到芯材的相变焓值，其抑制过冷结晶行为的作用十分明显，可以将过冷度降低至2.0℃附近，而且不会破坏微胶囊的稳定性。
　　4.采用乳液悬浮聚合法成功制备了正十八烷的MicroPCMs，微胶囊的囊心为PE-6000分散在正十八烷中的复合体，囊壁为交联的聚甲基丙烯酸甲酯，MicroPCMs呈球形，粒径在1.0-5.5μm之间，而且加入PE-6000后，对其表观形貌、粒径分布和粒径大小没有产生影响。将n-Oct制备成微胶囊后，MicroPCMs的失重温度均要比n-Oct的失重温度高90℃左右，其耐热性能大大提高，表明聚合物囊壁对n-Oct起到了很好的保护作用，而且加入3‰左右的PE-6000后对其热稳定性的影响很小。
　　5.加入PE-6000后，对MicroPCMs的热性能影响较大，其中在芯材中加入0.06 g PE-6000后，将微胶囊的过冷度由8.0℃降低到了1.7℃，异相成核结晶峰所占的比例也由14％增到最大58％，有效降低了MicroPCMs的过冷结晶现象;而且成核剂PE-6000的加入，也没有使正十八烷的结晶类型发生改变，只是诱导正十八烷产生更多的异相成核。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 相变材料简介

1．2 嵌段共聚物纳米有序薄膜

1．2．1 嵌段共聚物

1．2．2 嵌段共聚物分类

1．2．3 嵌段共聚物合成方法

1．2．4 嵌段共聚物自组装

1．2．5 嵌段共聚物自组装影响因素

1．3 微胶囊技术

1．3．1 相变材料微胶囊

1．3．2 相变材料微胶囊的制备方法

1．3．3 微胶囊中相变材料的结晶

1．4 课题研究背影、内容及意义

第二章 实验部分

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

第三章 多孔膜与相变复合膜的制备及其性能研究

3．1 引言

3．2 嵌段共聚物的合成

3．2．1 预聚体PMMA-DPE的合成

3．2．2 嵌段共聚物PMMA-b-PS的合成

3．3 产物提纯和后处理

3．4 嵌段共聚物薄膜的制备

3．5 样品处理

3．5．1 丙酮溶剂退火

3．5．2 高温退火

3．5．3 紫外光刻蚀

3．6 n-Oct相变复合膜的制备

3．7 样品的表征

3．8 结果与讨论

3．8．1 PMMA-DPE和PMMA-b-PS结构表征

3．8．2 PMMA-b-PS嵌段共聚物薄膜的自组装形貌变化

3．8．3 小结

第四章 添加剂对相变材料微胶囊过冷结晶行为的影响研究

4．1 引言

4．2 成核剂的遴选

4．2．1 纳米ZnO成核剂

4．2．2 PE-6000成核剂

4．3 正十八烷微胶囊的制备

4．4 性能测试及表征

4．4．1 差示扫描量热分析

4．4．2 热失重分析

4．4．3 场发射电子显微镜分析

4．4．4 透射电子显微镜分析

4．4．5 粒度分析

4．4．6 广角X-射线分析

4．4．7 傅立叶变换红外光谱分析

4．5 结果与讨论

4．5．1 成核剂的选择

4．5．2 添加PE-6000对微胶囊的粒径影响

4．5．3 添加PE- 6000对微胶囊表面形貌的影响

4．5．4 正十八烷微胶囊的红外谱图分析

4．5．5 添加PE-6000对微胶囊热性能的影响

4．5．6 添加PE-6000对微胶囊的热稳定性分析

4．5．7 添加PE-6000对微胶囊的结晶行为影响

4．6 小结

第五章 研究结论和展望

5．1 研究结论

5．2 展望

发表论文及参与科研情况

参考文献

致谢