[发明专利]一种可控过冷度相变微胶囊及其制备方法和应用

说明书

本发明属于功能材料制备技术领域，公开了一种可控过冷度相变微胶囊及其制备方法和应用。液体成核剂与有机相变材料均匀混合后，采用微流控双重乳化、紫外光固化获得壳层厚度和粒径均一可控的相变微胶囊，液体成核剂在相变微胶囊中分散均匀，具有良好的分散性和热循环稳定性，使得胶囊的过冷度随着成核剂浓度的增大得到显著降低。使用微流控技术严格控制粒径大小和壳层厚度，消除粒径大小和壳层厚度对过冷度的影响，实现对过冷度的精准调控。本发明使用1、6‑己二醇二丙烯酸酯作为壳层材料，该单体被紫外灯照射发生交联反应高速聚合成固态形成壳层，方法简单，形成的壳层表面光滑且坚固。适合于科研和工业生产多功能相变微胶囊的推广应用。

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，特别涉及一种可控过冷度相变微胶囊及其制备方法和应用。

背景技术

相变材料具有在液-固相转变过程中吸收和释放大量潜热的特性，是良好的储热材料，在建筑物的潜热储存、电子模块的热控制等领域有广泛的应用。石蜡是应用最为广泛的一类有机相变材料，其经济性好、焓值高、应用温度区间广。但是，石蜡使用过程中因其流动性和不定形性常常会引发泄漏，不利于其循环利用。而使用微胶囊封装技术则可以将石蜡相变材料封装在有机或者无机壳层中形成相变微胶囊，保证相变均在封闭空间中进行，阻止泄漏。同时，石蜡微胶囊化后的热传导面积增加，还能起到强化换热的效果。

然而，石蜡相变微胶囊化后却出现了新的问题，在实际应用中，大体积的石蜡不存在过冷，但将石蜡相变材料微胶囊化后却出现严重的过冷现象。曾有人使用三聚氰胺甲醛(MF)包覆正十二烷形成的相变微胶囊呈现出明显的过冷现象，且粒径越小，过冷问题越严重。储能工质的过冷问题会降低储热系统的效率，增加能耗。

为了解决石蜡相变微胶囊的过冷问题，研究者们尝试在微胶囊芯材中添加成核剂以促进异质成核。使用的成核剂包括SiO₂、TiO₂等固体成核剂和十八醇、十四醇等液体成核剂。中国专利(CN106753261A)通过加入复合铝和石墨纳米粒子来降低微胶囊的过冷度，并且确实取得了一定的过冷度降低的效果，但是当使用固体颗粒作成核剂时，由于颗粒的分散性较差，容易出现团聚分层现象，不利于相变微胶囊的循环使用。而使用与芯材互溶的液体作成核剂，使得成核剂能够均匀的分散在相变材料中，利用二者不同的熔点，液体成核剂首先发生相转变，为后面芯材的相变充当“晶种”，能够有效促进异质成核，达到抑制过冷的目的。当温度升高之后成核剂又重新均匀溶解于芯材中，极大的增强了胶囊的循环利用率。

相变微胶囊的过冷度除了与成核剂种类和浓度有关，还受胶囊粒径大小、壳层厚度、壳层材料等多种因素共同影响。所以即使是用同一类成核剂作用于同一材料的相变微胶囊，同成核剂浓度下，胶囊过冷度下降的幅度也很不相同。造成这种问题的主要原因在于如今常用胶囊制备手段都没有办法精准地控制胶囊粒径大小和囊壁厚度，同时胶囊中包裹的成核剂数量也不一致，所以每次消除过冷度所需的成核剂浓度总是无法参考。而微流控技术可以多种互不相溶的流体剪切形成单重O/W(W/O)或者二重O/W/O(W/O/W)甚至更高阶的模板液滴，这为合成具有均一尺寸、形状和功能性的纳微胶囊提供了极好的模板。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种可控过冷度相变微胶囊的制备方法；该方法采用液体成核剂和相变材料互溶，使用微流控双重乳化结合紫外光固化的方法，将互溶之后的芯材注入胶囊外壳中，严格控制胶囊粒径大小和壳层厚度，保证在每一粒胶囊中的成核剂数量几乎相同且分布均匀。从而实现对相变微胶囊过冷度的准确控制。

本发明的再一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的可控过冷度相变微胶囊。

本发明的又一目的在于提供一种上述可控过冷度相变微胶囊的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：