微膠囊相變蓄冷材料的制備及其性能研究

1、第卷第期年月真空與低溫微膠囊相變蓄冷材料的制備及其性能研究邢琳，方貴銀，楊帆（南京大學(xué)物理系，江蘇南京摘）要：闡述了微膠囊相變蓄冷材料的制備方法及其性能。采用復(fù)合凝聚法制備了微膠囊相變蓄冷材料。用明熔化潛熱、凝固溫膠和阿拉伯膠作囊材、十四烷作芯材，使用示差掃描量熱儀（）來測定蓄冷材料的熔化溫度、度、凝固潛熱，用熱重分析儀（）測定其熱穩(wěn)定性，并用掃描電鏡（）觀測了材料的微相結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果表明，該相變蓄冷材料具有較高的相變潛熱和較好的熱穩(wěn)定性，可用作空調(diào)的蓄冷材料。關(guān)鍵詞：微膠囊；蓄冷；相變材料；制備；性能中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（），（，）：，（）（），（）（），：Q Q Q Q 引言

2、目前，國內(nèi)外在蓄冷空調(diào)中主要采用水蓄冷和冰蓄冷，對(duì)共晶鹽蓄冷和氣體水合物蓄冷也都進(jìn)行過一些研究。水蓄冷是利用水的顯熱來蓄存冷量的，即用的冷水進(jìn)行蓄冷。它的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)和設(shè)備相對(duì)簡單，成本低，維修費(fèi)用較少，冬季也可以用它進(jìn)行蓄熱；但是水的蓄冷密度?。ㄋ谋葻崛轂閂 ），所需蓄冷槽體積大，占地面積多，冷損耗大，存在槽內(nèi)不同溫度冷水易混合的缺點(diǎn)。冰蓄冷是目前用得最多的一種蓄冷方式。它是利用冰的相變潛熱來儲(chǔ)存冷量的，它的蓄冷密度大（V ），水溫近似恒定，冷損失較系列化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)小，與水蓄冷相比，存儲(chǔ)同樣多的冷量所需體積小得多，因而易于儲(chǔ)存且容易做成標(biāo)準(zhǔn)化、備；它的缺點(diǎn)是投資費(fèi)用高，且不能兼用冬季蓄熱。共晶

3、鹽蓄冷是利用固液相變蓄冷的一種形式，它是由無收稿日期：基金項(xiàng)目：江蘇高校高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目（）及江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（）資助。作者簡介：邢琳（），女，河南省南陽市人，博士研究生，從事蓄冷材料及技術(shù)研究。真空與低溫第卷第期機(jī)鹽、水、成核劑和穩(wěn)定劑組成的混合物。它的相變溫度較高，可以克服冰蓄冷要求很低的蒸發(fā)溫度的缺點(diǎn)，但它存在蓄冷密度小、相變凝固時(shí)有過冷現(xiàn)象、材料易老化變質(zhì)、蓄冷性能易發(fā)生衰減且設(shè)備占地面積大（與冰蓄冷相比）等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受到一定的限制。氣體水合物蓄冷是在一定溫度和壓力下，水能在某些氣體分子周圍形成堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)晶體，在水合物結(jié)晶時(shí)釋放出固化相變熱。它是一種新興蓄冷材料，蓄冷

4、密度大，固氣相變溫度在之間，且蓄冷釋冷時(shí)傳熱效率高，適合直接接觸釋冷系統(tǒng)，但這也會(huì)隨著蓄冷量增大，蓄冷媒的導(dǎo)熱系數(shù)將急速下降，致使蓄冷器體積增大，蓄冷釋冷時(shí)間延長，電耗增加。為了克服上述蓄冷材料存在的種種不足，需要制備新型復(fù)合相變蓄冷材料來滿足需要，國內(nèi)外也都進(jìn)行月桂酸、十五烷混合物的了一些研究。文獻(xiàn)用幾種鏈烷烴的混合物制備相變蓄冷材料；文獻(xiàn)研究了癸酸、蓄冷釋冷特性；文獻(xiàn)進(jìn)行了潛熱型微乳漿和微膠囊的研究。微膠囊相變蓄冷材料制備及性能微膠囊相變材料是由有機(jī)材料組成。采用復(fù)凝聚法，將導(dǎo)熱系數(shù)較低的有機(jī)相變蓄能材料包覆到親水性較好的高分子聚合物囊材內(nèi)，制備成微膠囊相變蓄能材料，并將該微膠囊相變材料均

5、勻地分散在連續(xù)流動(dòng)的介質(zhì)中，經(jīng)過乳化分散法或超聲波分散法制備成含微膠囊相變材料的懸浮液。復(fù)凝聚法的原理，是利用具有相反電荷的聚電解質(zhì)膠體相互靜電吸引絮凝到油滴上，凝膠后形成膠囊膜。制備材料（）、阿拉伯膠（）、十四烷（）、無水乙醇、本實(shí)驗(yàn)中用到的材料主要有：明膠乙酸等。明膠和阿拉伯膠是采用復(fù)凝聚法制備微膠囊最為常用的組合，用明膠和阿拉伯膠作囊材、十四烷作芯材。明膠是一種水溶性的、天然的兩性高分子化合物，無毒且具有良好的成膜性，其分子鏈?zhǔn)怯稍S多結(jié)構(gòu)不同易得，并且具有復(fù)凝聚法的氨基酸組成，是用于凝聚法微膠囊化的一種有價(jià)值的原料。此外，明膠價(jià)格低廉、所要求的物理及化學(xué)性質(zhì)。阿拉伯膠是一種表面活性劑，是

6、有效的乳化劑，其乳化作用主要在于它形成界面膜的內(nèi)聚力很大且具有彈性，它的水溶液具有較強(qiáng)的黏稠性和粘著性。十四烷是一種疏水性材料，同時(shí)也是一種相變蓄能材料。制備方法（）制備的明膠水溶液和的阿拉伯膠水溶液。（）取的明膠溶液，采用帶溫控的磁力加熱攪拌器進(jìn)行加熱攪拌，保持體系溫度不變。將的十四烷滴入明膠溶液中，使十四烷的微液滴均勻乳化分散在溶液中。（）取的阿拉伯膠溶液，緩慢滴入溶液中，再加入的乙酸溶液調(diào)節(jié)值在左右，體系溫度仍保持在不變。（）稀釋。停止加熱，在溶液中緩慢滴入、的熱水，同時(shí)要均勻攪拌，此時(shí)產(chǎn)生復(fù)凝聚。（）在溶液中滴入無水乙醇滴，再在攪拌器中均勻攪拌，保持體系溫度不變，獲得微膠囊的懸浮液。（

7、）通過調(diào)整囊壁、囊芯材料的配比，重復(fù)上述制備過程，分別得到微膠囊蓄冷材料、和。微膠囊相變蓄冷材料的性能測試微膠囊蓄冷材料的相變潛熱采用美國公司的示差掃描量熱儀（）進(jìn)行測試。該儀器采用銦作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，待測樣品被密封在一個(gè)鋁皿里。試樣降溫過程由一個(gè)兩級(jí)制冷系統(tǒng)完成。試樣降溫過程是從降至，其降溫速率為G ；試樣升溫過程是從升至，其升溫速率為G 。首先，在中將樣品冷卻到其熔點(diǎn)溫度以下，然后以恒定的速率加熱，標(biāo)準(zhǔn)樣品的溫度也以恒定的速率增加。如果待測樣品不發(fā)生變化，那么待測樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的溫差將產(chǎn)生一條近似的水平線；如果待測樣品發(fā)生變化，那么兩樣品之間的溫差將產(chǎn)生一條偏離直線的曲線。直線和曲線之間的

8、面積表示發(fā)生相變所消耗的能量，該面積可由中的計(jì)算程序自動(dòng)積分求出。邢琳等：微膠囊相變蓄冷材料的制備及其性能研究為了測試該微膠囊相變蓄冷材料的熱穩(wěn)定性，采用熱重分析儀（）來測定。將其從加熱到，加熱速率為0；然后在溫度下恒溫保持，測試其質(zhì)量變化情況，從而確定相變材料的熱穩(wěn)定性。為了觀測微膠囊蓄冷材料的微觀結(jié)構(gòu)，采用掃描電子顯微鏡（）（日立公司的）放大倍來觀察。結(jié)果與討論由圖可以看出，該微膠囊相變蓄冷材料，起始熔解溫度為，吸熱峰值點(diǎn)溫度為，熔化時(shí)單位質(zhì)量相變潛熱為0；起始凝固溫度為，放熱峰值點(diǎn)溫度為，凝固時(shí)單位質(zhì)量相變潛熱為0。由圖可以看出，微膠囊相變蓄冷材料，起始熔解溫度為，熱峰值點(diǎn)溫度為，熔化時(shí)

9、單位質(zhì)量相變潛熱為0；起始凝固溫度為，放熱峰值點(diǎn)溫度為由圖可以看出，微膠囊相變蓄冷材料，起始熔解溫度，凝固時(shí)單位質(zhì)量相變潛熱為0。為，第一個(gè)吸熱峰值點(diǎn)溫度為，第二個(gè)吸熱峰值點(diǎn)溫度為，熔化時(shí)單位質(zhì)量相變潛熱為0；起始凝固溫度為，放熱峰值點(diǎn)溫度為，凝固時(shí)的單位質(zhì)量相變潛熱為0。吸熱峰值從微膠囊相變蓄冷材料、測試結(jié)果可以看出：相變蓄冷材料、和的起始熔解溫度、（0）比點(diǎn)溫度、起始凝固溫度、放熱峰值點(diǎn)溫度都符合空調(diào)蓄冷要求。但是蓄冷材料的熔化潛熱凝固潛熱（0）稍大，蓄冷材料的凝固潛熱（0）太?。涣硗?，蓄冷材料、都有兩個(gè)吸熱峰，這在蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中是不適宜的。因此，蓄冷材料、都不符合空調(diào)蓄冷系統(tǒng)的要求。微膠

10、囊相變蓄冷材料只有一個(gè)吸熱峰和一個(gè)放熱峰，熔化潛熱（0）和凝固潛熱（0）大小基本一致且較大，起到了相變蓄冷的作用。由此可以得出，微膠囊相變蓄冷材料適合在蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中使用。圖微膠囊相變蓄冷材料的曲線圖微膠囊相變蓄冷材料的曲線圖微膠囊相變蓄冷材料的曲線圖微膠囊相變蓄冷材料的曲線真空與低溫第卷第期圖為微膠囊相變蓄冷材料的曲線。由圖可以看出，在溫度下恒溫保持，該材料仍保持了較好的熱穩(wěn)定性，質(zhì)量僅損失了約。這主要是材料的脫水失重，因?yàn)樵诓牧系闹苽溥^程中空氣中的少量水汽會(huì)吸附在材料上，當(dāng)其加熱時(shí)這部分水汽首先要脫附，而相變材料并沒有損失。因而該材料若投入實(shí)際應(yīng)用中，在蓄冷空調(diào)的工況下，將保持較好的熱穩(wěn)定

11、性。圖為微膠囊相變蓄冷材料掃描電鏡圖。從該圖可以看出，微膠囊材料的尺寸在之間，且膠囊包覆得較好。在實(shí)驗(yàn)中需要注意的是：（）實(shí)現(xiàn)復(fù)凝聚的必要條件是種相關(guān)聚合物離子的電荷截然相反，并且具有最佳的混合比；（）微膠囊相變蓄冷材料若要有較好的熱物理性能，膠囊粒徑大小應(yīng)分布均勻；（）微膠囊蓄冷材料的性能受實(shí)驗(yàn)中多個(gè)參數(shù)的影響：如芯、囊材料比、乳化時(shí)間、體系溫度、黏度、囊粒徑大小、稀釋劑添加量、攪拌速度及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)等，因此需要進(jìn)行多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，不斷優(yōu)化性能參數(shù)。圖微膠囊相變蓄冷材料掃描電鏡圖結(jié)論采用復(fù)凝聚法制備了微膠囊相變蓄冷材料。通過對(duì)蓄冷材料、的測試分析，最后確定微膠囊相變蓄冷材料作為空調(diào)蓄冷材料。該蓄冷材料的起始熔解溫度為，吸熱峰值點(diǎn)溫度為，熔化時(shí)單位質(zhì)量相變潛熱為7；起始凝固溫度為，放熱峰值點(diǎn)溫度為，凝固時(shí)單位質(zhì)微膠囊的尺寸在測試結(jié)果表明，該微膠囊相變蓄冷材料具有較