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第 6 期                    赵姣姣，等:  纳米胶囊化二元复合相变材料的制备及热性能                                   ·1029·


                 在传统化石能源不断消耗和环保问题日益凸显                          1   实验部分
            的今天，如何合理开发和使用能源，促进能源和环
            境的可持续发展引起了人们的广泛关注。相变材料                             1.1   试剂与材料
            以其蓄热密度高、相变过程近似等温、可重复循环                                 正十八烷（C18）和偶氮二异丁腈（AIBN），AR，
            利用的优点，成为近年来能源学和材料学领域中储                             上海阿拉丁科技股份有限公司；硬脂酸丁酯（BS），
            存/释放热能的新型绿色功能材料               [1-3] ，在智能调温织        CP，国药集团化学试剂有限公司；甲基丙烯酸甲酯
            物、节能建筑、食品包装、太阳能和废热回收利用、                            （MMA），AR，天津科密欧化学试剂有限公司；过
            电子器件热管理以及生物医药领域有广泛的应用前                             硫酸铵（APS），AR，天津市天力化学试剂有限公
            景 [1,4-6] 。然而，相变材料在物理相变过程中的熔融                      司；季戊四醇三丙烯酸酯（PETA），AR，国药集团
            泄露、腐蚀和相容性问题成为制约其发展的瓶颈。                             化学试剂有限公司；烷基乙烯基磺酸盐（AVS）和
            采用纳米胶囊化技术，用高分子膜“束缚”和“封装”                           烯丙氧基丙基烷基醇聚醚（AE-320），工业品，上
            相变材料制备核壳结构的相变纳米胶囊成为解决上                             海忠诚精细化工有限公司；纯棉漂白斜纹织物，陕
            述问题的关键，它不仅平衡了能源在时间和空间上                             西华润印染有限公司；聚丙烯酸酯粘合剂，自制                     [16] ；
            的不匹配，提高了能源的利用效率，同时通过增大                             增稠剂 PTF，工业品，广州梵浩贸易有限公司。
            比表面积使相变材料的导热传热能力增强，也改善                             1.2   原理
            了相变材料与其它材料的界面相容性，使其成为能                                 相变纳米胶囊的合成机理如图 1 所示。在超声
                               [7]
            源领域新的研究热点 。                                        条件下，将复合芯材 C18 和 BS、单体 MMA 和交联
                 人体的最佳舒适温度为 20~28 ℃，选择相变温                      剂 PETA 组成的油相均匀地分散到含反应性乳
            度在此范围内且储热调温性能较好的相变材料可以                             化剂 AVS 的水溶液中，由于 AVS 的磺酸基在水中
            满足智能织物的温度需求。目前相变纳米胶囊的芯                             电离产生负电荷，排斥带有负电荷的单体液滴靠近，
            材主要由石蜡烷烃、脂肪酸、无机水合盐等构成，                             故形成稳定的水包油预乳液。加入引发剂 APS 后，
            其中正十八烷具有相变潜热高、过冷度小、化学稳                             APS 电离产生的自由基扩散到油相液滴内部，引发
            定性和热稳定性较好、没有相分离等优点，成为相                             单体聚合生成 PMMA 聚合物链。由于 PMMA 有相
                         [8]
            变材料的首选 。但单一正十八烷的相变温度范围                             对较大的亲水性，PMMA 链迁移到复合芯材表面沉
            太窄，不利于其应用领域的拓展。硬脂酸丁酯作为                             积为壳，得到相变纳米胶囊。
            另一相变材料，其与正十八烷的复配为解决此问题                             1.3   制备
                                                                                      –3
            提供了新的途径，研究证实该复合芯材功能材料与                                 将 C18(1.6 g，6.29 ×10  mol)和 BS（2.4 g，7.05×
                                                                 –3
            包覆单一相变材料的纳米胶囊相比，有更理想的热                             10  mol）在 40 ℃的恒温水浴中融化，磁力搅拌 30 min，
                               [9]
            焓值和蓄热调温性能 。另外，保护相变芯材的高                             冷却到室温后得到二元复合芯材（PCMs）。然后，
            分子膜常选用三聚氰胺-甲醛树脂               [10] 、脲醛树脂   [11] 、  将复合芯材、MMA（8.0 g，0.08 mol）、PETA（0.8 g，
                                                                     –3
            聚氨酯    [12] 、聚丙烯酸酯   [13] 等作壁材，其中聚丙烯酸              2.68×10 mol）混合溶液超声分散 30 min，形成均匀
            酯具有机械强度高、耐候和耐腐蚀等特性，是一种                             的油相。接着，将油相溶液加入到含 AVS（0.38 g，
                                                                      –4
            备受关注的环保型材料。此外，为了进一步提升该                             4.36×10  mol）的 60 mL 水溶液中，采用超声波细
            功能材料的环境效益，以水作分散介质的乳液聚合                             胞粉碎机乳化 15~20  min，形成稳定的水包油预乳
            成为目前制备相变纳米胶囊最常用的方法，然而采                             液。最后，将预乳液转移到 250 mL 的三口烧瓶中，
            用此方法制备的胶囊大多在微米尺度范围内，其对                             以 300  r/min 的速率搅拌，在 N 2 气氛下逐滴加入含
                                                                                   –4
            乳液的长期稳定性提出了挑战               [14-15] 。另一方面，乳        APS（0.11 g，4.82×10 mol）的 15 g  水溶液，引发
            液聚合使用的小分子乳化剂以物理吸附的方式附着                             聚合反应，75 ℃下保温反应 5  h，降温出料，即得到
            在壁材表面，易解吸造成乳液稳定性变差甚至环境                             相变纳米胶囊乳液。
            污染，而反应性乳化剂兼具乳化和反应的双重特性，                            1.4    棉织物整理
            通过可反应性基团键合到壁材表面，克服了小分子                                 将 11.25 g 粘合剂、0.24 g 增稠剂、13.13 g 纳米
            乳化剂的缺陷。                                            胶囊乳液和 12.88 g 水混合，配成相变纳米胶囊整理
                 因此，本文以 PMMA 为壁材，通过无皂乳液聚                       液，其中，粘合剂和纳米胶囊乳液的质量分数分别
            合法，用 PMMA 包覆正十八烷和硬脂酸丁酯复合芯                          为 30%和 35%。采用涂层法将整理液均匀涂抹在裁
            材制备相变纳米胶囊，优化了影响纳米胶囊转化率、                            剪好的 20 cm×20 cm 纯棉织物上，然后将织物置于
            粒径和形貌的制备工艺，并对其化学结构和热性能                             烘箱中，先在 80 ℃下预烘 10 min，后升温至 120 ℃
            进行了表征。                                             焙烘 3 min，即得到相变纳米胶囊整理调温棉织物。
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