一種基於四氧化三鐵/二氧化矽複合壁材的磁性相變微膠囊及其製備方法與流程

2023-05-22 04:20:41

本發明涉及一種相變材料，具體涉及一種基於四氧化三鐵/二氧化矽複合壁材的磁性相變微膠囊及製備方法。

背景技術：

相變潛熱存儲涉及到物質相態的變化，如物質在固-固，固-液，固-氣或液-氣的相變過程中實現熱量的存儲或釋放。能夠發生以上四種相變的任意一種的物質，都可稱為相變材料（phasechangematerials，pcms）。相變材料是一類非常有應用前景的熱能存儲材料，它可以應用於太陽能儲存、節能建築材料和調溫纖維的製備等諸多領域。而常用的相變材料在相變的過程中會發生固態和液態的轉變導致洩漏的發生，因此需要將相變材料進行封裝。

磁性相變微膠囊作為冷卻介質，不僅能夠強化換熱、降低能源消耗，在設備出現過熱現象時，磁性相變微膠囊還能在外加磁場導向下到達過熱部位並吸收熱量迅速降低該處溫度，實現相變傳熱介質流動與能量傳遞過程的可控。

馬麗麗、陳中華等人在其《相變儲能納米膠囊的製備與表徵》一文中，以有機相變材料石蠟作為包封對象，以正矽酸乙酯為殼層原料，製備了以二氧化矽為壁材、以石蠟為芯材的相變儲能納米膠囊，通過添加高導熱粒子二氧化矽，提高材料的傳熱性能，但是製備的納米膠囊的包覆效果較差，易發生相變材料滲漏，影響材料的穩定性。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提供了一種基於四氧化三鐵/二氧化矽複合壁材的磁性相變微膠囊及其製備方法。

一種基於四氧化三鐵/二氧化矽複合壁材的磁性相變微膠囊，其製備首先利用陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉對納米fe3o4進行表面處理，在其表面引入羥基基團，然後以十六烷基三甲基溴化銨為陽離子型表面活性劑，通過靜電吸附將納米fe3o4吸附在石蠟液滴表面，之後引發正矽酸乙酯的水解縮聚反應形成sio2網狀結構，得到磁性相變微膠囊。

具體步驟如下：

（1）納米fe3o4的表面處理：

稱取9-18重量份納米fe3o4加入到30-40份陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉的水溶液中，攪拌3-5小時，每攪拌1小時後用超聲波超聲分散10-15分鐘，過濾，使用乙醇與去離子水反覆洗滌，乾燥，得黑色fe3o4粉體；

（2）取0.5-3份陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨、18-28份石蠟和20-40份去離子水置於燒杯中，在60-70℃下機械攪拌混合均勻，再使用細胞粉碎超聲儀超聲3-8分鐘，加入步驟（1）經表面處理後的fe3o4粉體，超聲分散15-30分鐘；

（3）磁性相變微膠囊的乳液製備：

將上述超聲後的乳液置於裝有水銀溫度計、滴液漏鬥和機械攪拌的四口燒瓶中，通入氮氣，控制水浴恆溫50-60℃，逐滴加入18-28份正矽酸乙酯，機械攪拌，保溫10-15小時，再室溫靜置20-28小時，得到磁性相變微膠囊的乳液；

（4）使用10-40份乙醇對上述磁性相變微膠囊乳液進行破乳，將破乳後的液體，減壓抽濾，分離得到固體樣品，使用50℃的石油醚洗滌4-5次後，再使用50℃去離子水洗滌，減壓抽濾，室溫下乾燥，得到磁性相變微膠囊。

其中，所述的步驟（1）中陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉的水溶液的質量分數為0.8-1%。

其中，所述的步驟（2）中超聲波粉碎機功率為2000w，頻率為20khz。

其中，本發明中石蠟與正矽酸乙酯的質量比為1:1。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

（1）本發明利用十二烷基磺酸鈉為陰離子表面活性劑對納米fe3o4進行表面處理，在其表面引入羥基基團，可防止fe3o4被氧化而失去磁性，然後以十六烷基三甲基溴化銨為陽離子型表面活性劑，在相變物質石蠟液滴表面引入陽離子，通過靜電吸附將陰離子改性納米fe3o4吸附在石蠟液滴表面，之後引發正矽酸乙酯的水解縮聚反應形成sio2網狀結構，得到磁性相變微膠囊，提高相變物質石蠟的密封性、導熱性能，同時具有超順磁性能，可用於製備具有調溫功能、電磁屏蔽功能的電子設備及其元件中。

（2）本發明正矽酸乙酯溶液酸化過程中生成的矽酸通過羥基可以與納米fe3o4表面上的羥基發生縮合而相結合，後續的矽酸逐漸縮合長大，最終形成結構緻密的sio2網狀結構包覆在fe3o4表面，fe3o4/sio2複合壁材交聯密度較高，壁材強度有很大提高，使其不易發生破裂，延長產品使用壽命，另外sio2保護層填充於fe3o4的空隙處和外圍處，起到固定和保護fe3o4的作用，防止其被氧化而失去磁性。

具體實施方式

一種基於四氧化三鐵/二氧化矽複合壁材的磁性相變微膠囊，其製備首先利用陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉對納米fe3o4進行表面處理，在其表面引入羥基基團，然後以十六烷基三甲基溴化銨為陽離子型表面活性劑，通過靜電吸附將納米fe3o4吸附在石蠟液滴表面，之後引發正矽酸乙酯的水解縮聚反應形成sio2網狀結構，得到磁性相變微膠囊。

具體步驟如下：

（1）納米fe3o4的表面處理：

稱取14重量份納米fe3o4加入到30份陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉的水溶液中，攪拌4小時，每攪拌1小時後用超聲波超聲分散15分鐘，過濾，使用乙醇與去離子水反覆洗滌，乾燥，得黑色fe3o4粉體；

（2）取1份陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨、26份石蠟和30份去離子水置於燒杯中，在65℃下機械攪拌混合均勻，再使用細胞粉碎超聲儀超聲5分鐘，加入步驟（1）經表面處理後的fe3o4粉體，超聲分散20分鐘；

（3）磁性相變微膠囊的乳液製備：

將上述超聲後的乳液置於裝有水銀溫度計、滴液漏鬥和機械攪拌的四口燒瓶中，通入氮氣，控制水浴恆溫55℃，逐滴加入26份正矽酸乙酯，機械攪拌，保溫13小時，再室溫靜置24小時，得到磁性相變微膠囊的乳液；

（4）使用30份乙醇對上述磁性相變微膠囊乳液進行破乳，將破乳後的液體，減壓抽濾，分離得到固體樣品，使用50℃的石油醚洗滌4次後，再使用50℃去離子水洗滌，減壓抽濾，室溫下乾燥，得到磁性相變微膠囊。

其中，所述的步驟（1）中陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉的水溶液的質量分數為0.8-1%。

其中，所述的步驟（2）中超聲波粉碎機功率為2000w，頻率為20khz。

其中，本發明中石蠟與正矽酸乙酯的質量比為1:1。