建築用相變儲能蠟微膠囊材料及其製備方法
2023-09-21 00:16:10 1
專利名稱：建築用相變儲能蠟微膠囊材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種相變儲能蠟微膠囊的製備改性技術及其在建築上的應用。
背景技術：
隨著全球工業的迅速發展，世界能源日趨緊張，環境汙染越來越嚴重。材料科學的 研究與開發，環境保護與節能，開發新能源，成了當今世界的一大主題。儲能材料以自身具 有的特殊功能，將在太陽能利用、工業廢熱利用、節能、環境保護、信息、工程保溫材料、醫療 保健等領域得到廣泛的應用。微膠囊包覆PCM(PCM即phase change material的簡寫)技術近年來發展迅速。 微膠囊相變材料是利用微膠囊技術，將特定相變溫度範圍的相變材料微粒用有機化合物或 高分子化合物以物理或化學方法用一層性能穩定的高分子膜封裝起來，形成直徑在1 100 μ m的顆粒，相變過程中膠囊內的相變物質發生固-液相變，而外層始終保持為固態，因 此在宏觀上為固態顆粒，防止了液態的流動，改善了加工性能。相變材料微膠囊應用於建築材料中，使建築物具有自調溫功能，可大大節約能源， 具有很大的應用前景、實用價值和節能環保的社會意義。將微膠囊混入瓦塊、灰泥或者天花 板等建築結構中，可以進行太陽能的存儲。白天接受太陽輻射，吸收太陽能；夜間釋放出來 保持室內溫度；將相變儲熱微膠囊摻入現有的建材中，製成相變儲熱維護結構，3釐米厚的 牆藉助新建材可以達到40釐米厚水泥牆的儲熱程度。增強了維護結構的儲熱能力，使用少 量的材料就可以儲存大量的熱量。但是單層壁相變儲能微膠囊壁材較脆，機械性能、化學穩定性較差，難以推廣利 用。本專利提出了一種可用於建築牆體的雙層囊壁石蠟微膠囊的製備方法，並通過芯材和 微囊表面改性使其具有較好的機械強度和熱學性能，主要採用將相變材料微膠囊摻入石膏 中製備具有自調溫功能的建築牆體材料。
發明內容
本發明專利的目的是提供一種雙層壁微膠囊相變儲能材料的製備技術。該雙層壁 微膠囊較之單壁材料具有更好的機械性能和熱性能，而二氧化矽作為外層壁材又會賦予材 料親水性等特殊性質。本發明專利的另一個目的是提供上述材料在建築上的應用。實現上述目的的技術方案為一種相變儲能微膠囊，由囊壁和其包覆的相變材料構成，其特徵在於內層囊壁為 三聚氰胺改性脲醛樹脂，外層為二氧化矽，共佔微膠囊總質量的20 % 45 % ；所述相變材料 為有機相變材料，佔微膠囊總質量的80% -55%。所述的有機相變材料包括c12 3(|的石蠟、c8 18的脂肪醇或c8 18的脂肪酸及其 酯類。雙層壁微膠囊相變材料的製備方法，包括
(a)囊壁的預聚合將甲醛水溶液與尿素混合(摩爾比為1 1. 5 3)，滴加三乙醇胺調節溶液為弱 鹼性，加熱溶解，保溫反應。反應進行一半時，加入三聚氰胺對脲醛樹脂進行交聯改性。加 入適量的去離子水形成穩定的預聚體溶液，備用；(b)芯材的導熱改性取相變材料芯材，添加芯材質量0.2% 的400 800目石墨，一起加熱直到 芯材融化；(c)相變材料的乳化在一定量的去離子水中，加入5份 18份無機鹽，體系質量1. 5%的乳化劑，將步 驟b製得的混合物加熱熔融倒入反應容器中，於恆溫水浴環境中進行乳化反應，加入0. 2 1. 6份抗氧劑，0. 2份 1. 6份熱穩定劑，機械攪拌，乳化20min 60min，製成乳化液；(d)包囊在c製得的芯材乳液中，降低轉速，在尚未滴加預聚體溶液(預聚體是指囊壁的預 聚合產物嗎？如果是則應寫成預聚體溶液，從而與a對應；另外，請註明在)之前對芯材乳 液進行第一步調酸，使其PH降低到6 ；滴加預聚體溶液於乳狀液中，恆溫反應，充分攪拌，緩 慢滴酸，調節溶液最終PH值為2 4，然後加入2份 8份分散劑的水溶液，保溫反應；之 後升高溫度，保溫反應。用三乙醇胺調節溶液為鹼性，將一定量的矽酸鈉水溶液加入到微膠 囊溶液中，用酸滴加到混合溶液中反應，反應產物為製備好的微膠囊；(e)膠囊表面改性及後處理將製備好的微膠囊分散到一定比例的矽溶膠中(當正矽酸乙酯TE0S，無水乙醇， 矽烷偶聯劑KH-570質量比為1 1.94 0. 125時，用10 %檸檬酸將體系pH調至4，恆溫 水解)，機械攪拌條件下反應。對所得的微膠囊乳濁液體系機械攪拌，減壓蒸餾蒸發掉體系 的乙醇和水，過濾、真空乾燥後，製得納米二氧化矽改性的相變微膠囊；將相變材料微膠囊和石膏粉加水混合，放置一段時間至石膏完全固化得到含有相 變材料微膠囊的牆體材料。本發明專利簡易、高效地包覆了有機相變材料，並開發了其在建築牆體方面的應 用。製得的微囊的囊壁材料為雙層，內層囊壁為三聚氰胺改性脲醛樹脂，外層為二氧化矽。 由於其表面是二氧化矽基的，具有親水性，也可以將其應用於水溶性塗料中。本專利雙層微 囊相變材料製備工藝簡單，具有一定的機械強度、較好的導熱性和熱氧穩定性，原料價格便 宜、來源廣泛，易於工業化推廣。
具體實施例方式實施例1 (a)囊壁的預聚合將18. 3g 37%的甲醛水溶液與9g尿素混合，滴加三乙醇胺調節pH = 8，並加熱至 50°C，保溫反應1小時。中間30min時，加入質量分數為10%的三聚氰胺。反應結束後加入 85g去離子水形成穩定的預聚體溶液，備用。(b)芯材的導熱改性取20g固體石蠟芯材，添加芯材質量0. 8%的400目石墨，50°C恆溫攪拌30min製成混合物。(c)相變材料的乳化溫度保持50°C，在IOOml去離子水中，加入12gNacl，2. 13g乳化劑0P-10，將b制 得的混合物加熱熔融倒入反應容器中，再加入0. 4g抗氧劑，0. 4g熱穩定劑，機械攪拌300r/ min,乳化 45min。(d)包囊轉速調至240r/min，溫度保持在50°C，在尚未滴加預聚體溶液之前對芯材乳液進 行第一步調酸，使其PH降低到6 ；滴加預聚體溶液於乳狀液中，在55°C的條件下恆溫反應， 充分攪拌，然後每20min滴酸一次，逐步調節溶液的PH值達到2。之後加入2g分散劑亞甲 基二萘磺酸鈉的水溶液，保溫反應Ih ；之後升溫到70°C，保溫反應2h。用三乙醇胺調節pH 值為9. 0，將8g矽酸鈉水溶液加入到微膠囊中，用20%的酸滴加到混合溶液中反應。(e)納米二氧化矽溶膠的製備將正矽酸乙酯TE0S、矽烷偶聯劑KH-570以及無水乙醇EtOH按量加入三口燒瓶中， 比例為TEOS EtOH KH-570 = 1 1.94 0. 125 (質量比)，用10 %檸檬酸將體系pH 調至4，60°C恆溫水解6h，得到了矽溶膠。(f)膠囊表面改性及後處理將製備好的微膠囊分散到矽溶膠中，m(微膠囊)m(矽溶膠)m(水)= 1 0.6 9，60°C機械攪拌條件下反應lh。對所得的微膠囊乳濁液體系在75°C條件下機 械攪拌，減壓蒸餾蒸發掉體系中的乙醇和水，50°C真空乾燥6h，製得納米二氧化矽改性的相
變微膠囊。將相變材料微膠囊和石膏粉以1 2比例加水混合，放置一段時間至石膏完全固 化得到含有相變材料微膠囊的牆體材料。實施例2 (a)囊壁的預聚合將9. 46g甲醛溶液(質量分數37% )和4. OOg尿素混合，用三乙醇胺調節pH值至 8. 5，50°C水浴中恆溫攪拌lh，加入75g蒸餾水混合，得到透明的預聚體溶液。(b)芯材的導熱改性取20g固體石蠟芯材，添加芯材質量0. 6%的400目石墨，50°C恆溫攪拌30min制 成混合物。(c)相變材料的乳化將0. 39g吐溫60，0. 36g司盤60，4gNacl，Ig 0P-10，b所得的熔融混合物與40mL 蒸餾水混合，在400r/min轉速下，50°C水浴中乳化30min，得到芯材乳液。(d)包囊轉速調至240r/min，溫度保持在50°C，在尚未滴加預聚體溶液之前對芯材乳液進 行第一步調酸，使其PH降低到6 ；滴加預聚體溶液於乳狀液中，在55°C的條件下恆溫反應， 充分攪拌，然後每20min滴酸一次，逐步調節溶液的PH值達到2，之後加入2g分散劑亞甲基 二萘磺酸鈉的水溶液，保溫反應Ih ；之後升溫到70°C，保溫反應2h。用三乙醇胺調節pH值 為9. 0，將4g矽酸鈉水溶液加入到微膠囊中，用20%的酸滴加到混合溶液中反應。(e)納米二氧化矽溶膠的製備
將正矽酸乙酯TE0S、矽烷偶聯劑KH-570以及無水乙醇按量加入三口燒瓶中，比例 為TEOS EtOH KH-570 = 1 1. 94 0. 125 (質量比)，用10%檸檬酸將體系pH調至 4，60°C恆溫水解6h，得到了矽溶膠。(f)膠囊表面改性及後處理將製備好的微膠囊分散到矽溶膠中，m(微膠囊)m(矽溶膠)m(水)= 1 0.6 9，60°C機械攪拌條件下反應lh。對所得的微膠囊乳濁液體系75°C機械攪拌，減 壓蒸餾蒸發掉體系的乙醇和水，50°C真空乾燥6h，製得納米二氧化矽改性的相變微膠囊。將相變材料微膠囊和石膏粉以1 3比例加水混合，放置一段時間至石膏完全固 化得到含有相變材料微膠囊的牆體材料。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，凡 是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於 本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種相變儲能微膠囊，由囊壁和其包覆的相變材料構成，其特徵在於內層囊壁為 三聚氰胺改性脲醛樹脂，外層為二氧化矽，共佔微膠囊總質量的20 % 45 % ；所述相變材料 為有機相變材料，佔微膠囊總質量的80% 55%。
2.根據權利要求1所述的相變儲能微膠囊，其特徵在於所述的有機相變材料是C12 30的石蠟、C8M8的脂肪醇或C8 18的脂肪酸及其酯類。
3.根據權利要求1所述的相變儲能微膠囊的製備方法，其特徵在於所述製備方法包括(a)囊壁的預聚合將甲醛水溶液與尿素混合(摩爾比為1 1.5 幻，滴加二乙醇胺調節溶液為弱鹼性， 加熱溶解，保溫反應。反應進行一半時，加入三聚氰胺對脲醛樹脂進行交聯改性。加入適量 的去離子水形成穩定的預聚體溶液，備用；(b)芯材的導熱改性取相變材料芯材，添加芯材質量0. 2% 的400 800目石墨，一起加熱直到芯材 融化；(c)相變材料的乳化在一定量的去離子水中，加入5份 18份無機鹽，體系質量1. 5%的乳化劑，將步驟b 製得的混合物加熱熔融倒入反應容器中，於恆溫水浴環境中進行乳化反應，加入0. 2 1. 6 份抗氧劑，0. 2份 1. 6份熱穩定劑，機械攪拌，乳化20min 60min，製成乳化液。(d)包囊在c製得的芯材乳液中，降低轉速，在尚未滴加預聚體溶液之前對芯材乳液進行第一 步調酸，使其PH降低到6 ；滴加預聚體溶液於乳狀液中，恆溫反應，充分攪拌，緩慢滴酸，調 節溶液最終PH值為2 4，然後加入2份 8份分散劑的水溶液，保溫反應；之後升高溫度， 保溫反應。用三乙醇胺調節溶液為鹼性，將一定量的矽酸鈉水溶液加入到微膠囊溶液中，用 酸滴加到混合溶液中反應，反應產物為製備好的微膠囊；(e)膠囊表面改性及後處理將製備好的微膠囊分散到一定比例的矽溶膠中(當正矽酸乙酯TE0S，無水乙醇，矽烷 偶聯劑KH-570質量比為1 1.94 0. 125時，用10%檸檬酸將體系pH調至4，恆溫水解)， 機械攪拌條件下反應。對所得的微膠囊乳濁液體系機械攪拌，減壓蒸餾蒸發掉體系的乙醇 和水，過濾、真空乾燥後，製得納米二氧化矽改性的相變微膠囊；將相變材料微膠囊和石膏粉加水混合，放置一段時間至石膏完全固化得到含有相變材 料微膠囊的牆體材料。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的無機鹽為Nacl。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的乳化劑為0P-10(烷基酚與環氧乙 烷的縮合物)、吐溫類或司盤類乳化劑。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的分散劑為亞甲基二萘磺酸鈉NNO 或明膠。
全文摘要
本發明提供一種可用於建築領域的相變儲能蠟微膠囊材料。其特徵在於內層囊壁為三聚氰胺改性脲醛樹脂，外層為二氧化矽，共佔微膠囊總質量的20％～45％；所述相變材料為有機相變材料，佔微膠囊總質量的80％-55％。採用石墨對芯材進行導熱改性，溶膠-凝膠法對微囊表面改性，使得該雙層微囊相變材料用於建築領域具有較好的機械強度、導熱性和熱氧穩定性，原料價格便宜、來源廣泛，將相變材料微膠囊摻入石膏中製備具有自調溫功能的建築牆體材料。
文檔編號E04D13/18GK102079970SQ20091022886
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月30日 優先權日2009年11月30日
發明者揣成智, 程遠, 陳昊 申請人:天津德昊超微新材料有限公司