梳状聚合物相变材料微胶囊的制备与应用研究

发布时间：2020-06-07 05:16

【摘要】：相变材料(PCM)被认为是最有效的能量存储材料之一,因为它们可以通过相变几乎等温地存储或释放大量的热能,同时具有较高的储热容量和储能密度以及在能量释放期间温度变化较小。微囊化技术是将内部芯材封装到外部壁材中,以形成核-壳结构;或者是将内部芯材分散在整个壁材基质中,可用于保护特定的功能性内部芯材或者可控地将内部芯材释放到外界中。在相变过程中,熔融状态的PCM的导热率较低并且易泄漏,这限制了相变材料的应用范围。使用壁材封装PCM可以有效的解决这些缺点,此外,还可以增加热量传输区域、降低PCM对外部环境灵敏度并控制相变过程中的体积变化。但是,传统的合成聚合物壁材存在许多缺点,如不可再生、残余单体和有毒气体(例如甲醛)的释放,严重危害了环境和人类健康。为了减少微胶囊化相变材料过程中带来的环境污染并扩大其应用范围,本研究提出并讨论了一种环保型的微胶囊化封装相变材料的方法。选择天然的壳聚糖作为壁材,选择侧链可结晶的梳状聚合物聚丙烯酸十八烷基酯作为芯材。通过凝聚法进行微囊化包封,并讨论了不同芯壁比对微胶囊的形态结构、热性能的影响。FE-SEM和TEM用于研究微胶囊的形态和微观结构。TGA和DSC用于研究微胶囊的热力学性能。分析表明,微胶囊的包封率为49.8%～69.0%,热稳定温度为243.2℃。微胶囊采用天然原料,制造工艺绿色无毒,使其在医疗、医药、建筑、纺织和环境等领域具备广阔的应用前景。本研究进一步探讨了相变微胶囊在医疗领域的应用,选用绿色无毒的聚乙烯醇作为成膜基质,向其中掺杂不同比例的微胶囊,采用绿色无毒的制备方法,成功制备出了具有相变调温功能的聚乙烯醇膜。通过多种测定分析可知,相变微胶囊均匀的掺杂在聚乙烯醇膜中。当微胶囊含量为5%,10%,15%和20%的PVA薄膜的熔融峰的峰值温度分别为31.7℃,32.5 ℃,32.3℃和31.4 ℃。这表明制备出的PVA薄膜的相变温度接近人体的舒适温度,在医疗领域应用上具有独特的优势。此外,为进一步拓宽所制备出的相变调温的聚乙烯醇膜的实际应用范围,本文采用十三氟辛基三甲氧基硅烷作为疏水性改进剂对PVA膜的润湿性进行改善研究,并对其疏水性机理进行了相应探讨。将十三氟辛基三甲氧基硅烷与成膜基质充分混合后按照传统的制膜工艺进行膜的制备。通过多种测试分析得知,十三氟辛基三甲氧基硅烷可以明显提升PVA膜的疏水性。
【图文】：

它们将与芯材材料之间的发生化学反应，从而形成了聚酰胺、聚氨逡逑酯、聚氨酯、聚脲、聚氨酯或类似物质的固体缩聚后制备的聚合物壳层。原位逡逑聚合法的原理示意图如图１－１所示。逡逑ｔ逦成壁聚合物逡逑ｌｉＳｉ算Ｓ逦ＩＳＳｉｆＳ逡逑图ｉ－ｉ原位聚合法的原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅｌ－１．邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｉｎ邋ｓｉｔｕ邋ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ逡逑一般情况下，水相中还含有阴离子表面活性剂作为助剂用来增强聚合物壳逡逑的形成速率。当水相中加入醛类单体并且将水相的ｐＨ值调节为２邋－４．５，壳层逡逑单体或者预聚物就会发生一系列化学反应比如自缩合反应，从而形成壳层。原逡逑位聚合法的特征是壳材单体的聚合在水相中发生，壳材单体的聚合物沉积在水逡逑相中分散的芯材的表面上，，并进一步发生聚合反应。最终聚合产生了不溶于水、逡逑高度交联的微胶囊聚合物壳层。通过原位聚合法制备的微胶囊形状上基本为球逡逑形的，粒径尺寸多为ｌｐｍ？１００ｐｍ［４５］。目前，己知的原位聚合方法又可以细分逡逑为乳液聚合、悬浮聚合、沉淀或分散聚合。逡逑１．５．１．２界面聚合法逡逑界面聚合是一种在两相之间的界面处形成微胶囊的聚合物壳层的方法，按逡逑照反应方式可以分为界面加成聚合和界面缩合聚合两种。在连续相与分散相中

还可以选择性的在芯材中加入光诱发剂，在紫外光的照射下进行聚合反逡逑应，从而控制聚合物合成出不同的结构。作为典型的梳状聚合物，聚丙烯酸十逡逑八烷基酯的分子结构模拟图如图３－１所示（单体之间的连接采用头－尾连接）。逡逑ｉｎ逡逑图３－１聚丙烯酸十八烷基酯的分子模型图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３－１．邋Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｍｏｄｅｌ邋ｐｌｏｔ邋ｏｆ邋ｐｏｌｙ邋（ｏｃｔａｄｅｃｙｌ邋ａｃｒｙｌａｔｅ）．逡逑随后通过凝聚方法将壳聚糖和苯乙烯－马来酸酐共聚物复合物作为壳材逡逑包封丙烯酸十八烷基酯的低聚物形成的芯材。然后丙烯酸十八烷基酯低聚物在逡逑壳聚糖形成的壳内进一步进行自由基聚合，形成以梳状聚合物作为芯材、具有逡逑核－壳结构的微胶囊。通过场发射扫描电子显微镜（ＦＥ－ＳＥＭ）和透射电子显逡逑微镜（ＴＥＭ）系统地表征了不同芯壁比对微胶囊表面形貌和微观结构的影响。逡逑２８逡逑
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;TB34

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本文编号：2700900