[發明專利]一種氮化硅改性相變儲能微膠囊及其制備方法

有效

• 申請號: 201310743084.3
• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN103805142B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: 唐國翌;楊艷陽;宋國林;劉源
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: C09K5/06
• 分類號: C09K5/06;B01J13/16
• 代理公司: 深圳市匯力通專利商標代理有限公司 44257
• 代理人: 茅秀彬;王鎖林

技術領域

本發明涉及相變儲能微膠囊及其制備方法，具體是一種氮化硅改性相變儲能微膠囊及其制備方法。

背景技術

在能源、環境問題日益凸顯的今天，具有高儲能密度、長循環使用壽命的相變儲能材料（PCMs）越來越為人們所關注。相變儲能微膠囊（MicroPCMs）的研究克服了PCMs在應用中所存在的一系列問題，如：液體流動性高，相變時易發生泄漏、與基體材料的相容性差、微膠囊強度低，導熱性差等。MicroPCMs的應用已經覆蓋了航空航天、節能建筑、調溫纖維、電池管理、工廠余熱回收等各個領域，與人們的生活息息相關。雖然相變儲能材料的微膠囊化研究始于20世紀70年代，但是仍然存在許多有待解決的重要問題，如提高導熱性，加速相變材料的結晶速度、降低其過冷、過熱（即減小相變過程中的溫差）；調節囊壁材料的強度和抗熱震性、耐疲勞老化性；探索高效、低能耗、低成本的產業制備方法等。

在文獻報道中，研究者們多采用添加石墨烯和碳納米管來提高相變儲能材料的熱導性能，但是由于碳納米管成本過高，難于工業化生產，且顏色單一不美觀，在實際應用中受到很大的限制。氮化硅是一種性能優異的陶瓷粉體，熱導率為16.7W/(mK)，線膨脹系數為2.75×10^-6/℃(20~1000℃)，具有良好的耐磨性、抗氧化、抗熱震性，在許多領域都有著廣泛的應用，而將氮化硅應用于增強相變儲能微膠囊的熱傳導性，國內外尚未見報道。

使用氮化硅納米粒子改性復合材料，一方面可以改變復合材料的應力狀態，均勻分散的納米粒子具有較多的表面活性中心和與基體形成較大的接觸界面；當受到外力時，二者不易脫離，界面處很多微變形區會吸收大量能量，既可傳遞外力，又引發基體屈服，達到增強增韌的目的。另一方面，納米氮化硅粒子效應可影響聚合物的結晶行為和晶體結構，影響材料性能；有研究者利用Avrami方程和莫氏方法證明納米氮化硅粒子對高分子材料具有很好的成核作用，對結晶過程有明顯的加速作用，并通過實驗證明了這一論點。但是，由于納米氮化硅具有高表面自由能，容易形成團聚，當將其作為填料添加到聚合物基體當中時，由于無機剛性粒子與有機相的結構差別較大，相容性差，導致納米氮化硅粒子很難以納米尺度均勻分散在聚合物基體當中，而是容易形成聚集的大顆粒，成為復合材料當中的缺陷。這不僅無法實現上述的有益性能，反而會損害聚合物本身的性能。為了使氮化硅能夠均勻地分散在聚合物中，必須解決聚合物與氮化硅相容性的問題。

發明內容

鑒于現有相變儲能微膠囊存在的問題，本發明提供了一種氮化硅改性相變儲能微膠囊及其制備方法，通過超聲分散、接枝改性等方法，將氮化硅粉均勻分散于相變儲能微膠囊的殼材和芯材中，以提高相變儲能微膠囊的力學性能、耐溫性能及導熱性能。

一種氮化硅改性相變儲能微膠囊，由殼材及其包覆的芯材組成，以重量份數計，所述殼材包括50~100份高分子聚合物以及均勻分散在所述高分子聚合物中的1~20份氮化硅粉；所述芯材包括50~100份有機相變儲能材料，以及均勻分散在這些有機相變儲能材料中的1~20份氮化硅粉。所述相變儲能微膠囊呈球形。

其中，所述氮化硅粉為接枝氮化硅粉，粒徑為0.005~10μm。該接枝氮化硅粉是氮化硅粉在硅烷偶聯劑醇溶液中經超聲分散、接枝處理后干燥得到的。

所述高分子聚合物為聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、酚醛樹脂、密胺樹脂、脲醛樹脂、聚脲樹脂中的一種或者兩種。

所述有機相變儲能材料為相變石蠟、C14-C30的正構烷烴、C8-18的脂肪醇或C8-18的脂肪酸及其酯。

所述有機相變儲能材料可為輕質石蠟、25#相變石蠟、30#相變石蠟、35#石蠟、58#石蠟、十六烷、十八烷、二十烷或硬脂酸正丁酯等。

本發明氮化硅改性相變儲能微膠囊的制備方法，包括以下步驟：

1）、1~40份硅烷偶聯劑加入50~100份液態醇中配制成醇溶液，然后加入2~40份氮化硅粉，超聲處理10~60min，然后保持浸泡狀態10~72h，再在室溫或者烘箱中干燥，得到改性氮化硅粉；

2）、將50~100份有機相變儲能材料升溫至融化，同時保持溫度并加入1~20份所述步驟1）得到的改性氮化硅粉、1~10份乳化劑，以500~1000rpm轉速攪拌10~30min，然后再超聲處理10~120min，形成乳液；

3）、將步驟2）制得的乳液加入到500~1000份的水中，再加入1~20份乳化劑，用高速剪切乳化機或均質機在5000~10000rpm轉速下攪拌5~30min；