[发明专利]聚氨酯纳米胶囊相变材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种以两亲性聚氨酯及其复合材料为囊壁的纳米胶囊相变材料的制备方法，其悬浮液可以做为功能型热流体使用，粉末可以与其它材料复合使其具有调温功能。

背景技术

包裹相变材料的微胶囊和纳米胶囊，称为纳米胶囊相变材料和微胶囊相变材料，微胶囊的粒径通常在1～1000μm之间，小于1μm的胶囊叫纳米胶囊。纳米胶囊相变材料和微胶囊相变材料的外壳多为高分子材料，如脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚脲、聚氨酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯等。它可以以水或硅油的乳状液或悬浮液的形式应用，如：潜热型功能热流体；也可以以粉末的形式应用，如：与纤维、泡沫塑料、涂层、建筑材料以及生物材料等进行复合。

大粒径的微胶囊相变材料不仅易沉降而且通过管路和泵时更易破碎，而粒径在几十纳米到几百纳米的纳米相变胶囊，其悬浮液表现出更高的导热速率、更好的稳定性和更低的破损率。

原位聚合、界面聚合法与细乳液或者高速剪切技术相结合可以得到纳米胶囊，但这些制备方法都存在一些不足之处，且都需要外加乳化剂才能稳定分散在水中，稀释稳定性和重分散性较差，小分子乳化剂对悬浮液流变性也会造成一定的干扰。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种制备纳米胶囊相变材料的方法，无需外加乳化剂就可以得到分散稳定的纳米胶囊相变材料。

本发明的纳米胶囊相变材料的囊壁为两亲性聚氨酯材料或者两亲性聚氨酯与其它烯类单体聚合物的复合材料，芯材为有机相变材料，制备过程中首先用两亲性聚氨酯和相变材料、少量烯类单体混合，然后在高速剪切下加入去离子水，高速分散几分钟后得到聚氨酯包裹相变材料和烯类单体的乳液，向所得乳液中加入自由基类引发剂，在一定温度下进行乳液聚合，使囊壁发生化学交联，得到纳米胶囊。

两亲性聚氨酯的分子结构上同时带有亲水基团、亲油链段和不饱和双键，亲水基团可以是离子型也可以是非离子型。

与聚氨酯复合的烯类单体是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、三丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯等丙烯酸酯类活性稀释剂。加入少量烯类单体的目的是增大交联密度，一定程度改善囊壁的强度，囊壁主要成分仍然是聚氨酯，烯类单体的质量不超过聚氨酯的50％。聚氨酯分散相变材料和烯类单体的配方组成质量分数如下：

两亲性聚氨酯20～99

有机相变材料1～80

烯类单体1～25

乳液聚合采用能产生自由基的引发剂，过硫酸胺、过硫酸钾、偶氮二异丁氰等，在常规的乳液聚合温度下，引发剂释放自由基使得囊壁发生交联反应。

本发明的工作原理如下：

两亲性聚氨酯在水中不仅具有良好的自乳化能力，而且还具有分散乳化其它化合物的能力，其悬浮粒子的尺寸则在几十纳米到几百纳米的范围。这种特性使得用两亲性聚氨酯分散乳化相变材料，不需要外加乳化剂就能够得到小粒径的纳米胶囊。

用于制备纳米胶囊的两亲性聚氨酯，其分子结构中：长链疏水软段赋予PU一定的柔韧性，使胶囊能够承受相变引起的体积变化；硬段赋予PU一定的机械强度；亲水基团使得PU可以将石蜡类、硬脂酸酯类、PTMG等相变材料乳化在水中，而不饱和双键能够使得囊壁聚合物进行化学交联。

乳液聚合使得聚氨酯囊壁发生化学交联，得到热性能、机械性能和密封性较好的纳米胶囊，如果有烯类单体参与交联反应，则囊壁的交联密度增大，密封性和机械性能会有所提高。通过调节聚氨酯内双键的含量和烯类单体的量可以得到不同的交联密度的囊壁，其纳米胶囊的性能也不同。

本发明相对于现有制备纳米胶囊相变材料的技术，具有如下优点与效果：

(1)无需外加乳化剂就可以得到纳米胶囊，消除乳化剂对胶囊和悬浮液性能的影响。

(2)分散后乳液只含有聚氨酯、烯类单体、相变材料和水，成分简单，制备工艺也相对简单。

(3)所得纳米胶囊悬浮液稳定性好，而且具有较好的重分散性。

(4)聚氨酯是一种结构可调的聚合物，可同时具有良好的弹性和机械强度，聚氨酯囊壁可以为相变提供足够的体积伸缩空间，避免破损。

附图说明

图1聚氨酯纳米胶囊相变材料的透射电镜图，

图2聚氨酯纳米胶囊相变材料的粒径分布图。

具体实施方式

实施例1

一、两亲性聚氨酯的制备。

将一定量的甲苯二异氰酸酯、聚四氢呋喃二醇和有机锡催化剂二月桂酸二丁基锡混合，在一定温度下反应一段时间后，加入二羟甲基丙酸，最后加入甲基丙烯酸β-羟乙酯封端，得到两亲性聚氨酯。反应在氮气氛围中进行，两亲性聚氨酯的原料组成质量分数如下：