一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法

1.本发明属于功能材料制备领域，公开了一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法。


背景技术：

2.石蜡在发生液-固相转变的过程中能够吸收和释放大量的潜热，采用高分子成膜材料包裹石蜡形成的相变微胶囊与传统换热工质混合得到的石蜡相变微胶囊悬浮液，不仅能够解决石蜡相变材料的输运问题，还兼具能量的储存和释放功能，是一种新型的换热工质。
3.众所周知，评价换热工质性能的优劣必须兼顾其管道流动的能量运输特性和流动阻力特性，也即粘度特性，因此换热工质的粘度在换热过程中起着至关重要的作用。相比于传统工质，石蜡相变微胶囊悬浮液强化换热的地方在于其芯材在相变过程中吸收或释放的大量潜热，然而目前，在相变微胶囊悬浮液强化换热的计算中通常采用其在某一温度下的粘度值，而并非是相变过程中的平均粘度值，这很有可能会导致计算结果偏离实际情况；并且关于温度对于相变微胶囊悬浮液的研究一般都是针对于单相范畴，对于相变微胶囊芯材特有的固-液相变特性是否会对微胶囊悬浮液的粘度产生影响也没有确切的结论。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术存在的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法；该方法采用原位聚合法制备了外貌光滑，粒径均匀的石蜡相变微胶囊，通过两步法得到了分散稳定的石蜡相变微胶囊悬浮液，在某一温度下测试得到相变微胶囊悬浮液粘度随剪切速率的变化关系；在某一温度温度范围内和剪切速率下，每隔0.5-1℃保温5-30min后测量悬浮液的粘度随时间的变化；在某一温度范围内、相同剪切速率和不同的变温速率下测试得到相变微胶囊悬浮液粘度随温度的变化关系。
5.本发明在一定的温度区间内，测试得到不同升温速率下悬浮液的粘度与温度的关系，通过分析相变温区内粘度的变化，计算得到不同升温速率下悬浮液的平均粘度值，结果显示相变微胶囊芯材的固液相变会对悬浮液的粘度产生影响，并且相变温区内微胶囊悬浮液的平均粘度随着升温速率的增大而减小，从而实现了通过改变升温速率对相变微胶囊悬浮液平均粘度的调控。
6.本发明的目的通过下述技术方案实现：
7.一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法，包含以下操作步骤：
8.s1：采用原位聚合法制备得到外貌光滑、粒径均一的石蜡相变微胶囊，然后采用两步法制备稳定分散的相变微胶囊悬浮液；
9.s2：在15-35℃温度范围内，固定温度下测试得到相变微胶囊悬浮液粘度随剪切速率的变化关系，确定相变微胶囊悬浮液处于粘度不变的牛顿流体时的剪切速率a；在15-35℃温度范围内和剪切速率a条件下，每隔0.5-1℃保温5-30min后测量相变微胶囊悬浮液随时间变化的多个粘度值，将所得多个粘度值取平均值作为单相状态下的悬浮液粘度，从而得到单相状态下的悬浮液粘度随温度的变化关系，即为单相状态下的η-t曲线；在15-35℃温度范围内，采用剪切速率a，在不同的升温速率下测试得到相变微胶囊悬浮液粘度随温度的变化关系，即为瞬态变温下的η-t曲线；
10.s3：根据步骤s2所得单相状态下的η-t曲线和瞬态变温下的η-t曲线，分析确定悬浮液粘度因微胶囊芯材相变而发生变化的相变温度区段，即为相应的微胶囊芯材熔化开始时的温度到熔化结束时的温度；计算不同升温速率下相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度，得出升温速率和相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度的变化关系，二者呈现线性关系；控制相变微胶囊悬浮液其他参数相同，通过改变升温速率，实现了对相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度的调控。
11.步骤s1所述原位聚合法具体按照以下步骤：首先，将乳化剂加入去离子水中，滴入碱溶液将ph值调至7-10，然后在40-100℃下以200-500rpm搅拌，得到完全溶解的乳化剂溶液；然后，将相变材料与乳化剂溶液倒入反应器中，在50-90℃、100-300rpm条件下剪切搅拌后，形成水包油乳液，接着加入高分子预聚体，在50-120℃下反应，形成高分子壳层包裹相变材料的微胶囊乳液；最后，将微胶囊乳液在冻干机中冻干，再经研磨后得到粉末状的石蜡相变微胶囊。
12.步骤s1所述两步法具体按照以下步骤：称取质量比为1:3-0.5:1的石蜡相变微胶囊和阴离子表面活性剂，将二者一起加入去离子水中，经搅拌5min-15min后放入到磁力搅拌器上，在20-35℃温度下，转速为100-2000rpm搅拌20-40min，最后超声0.5-3h后得到质量浓度为5％-10％的相变微胶囊悬浮液。
13.所述的相变材料是直链烷烃类化合物和直链烷烃卤代物中的至少1种，所述的高分子预聚体是密胺树脂、甲醛树脂或者聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
14.步骤s2所述测量相变微胶囊悬浮液随时间变化的多个粘度值是每隔0.5℃保温10min后进行测量。
15.步骤s1所述微胶囊的粒径大小为0.5μm-30μm，步骤s2所述的粘度测试温度范围为10-35℃，剪切速率为100-5000s-1
，变温速率为0.1-15℃/min。
16.所述相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度的计算公式为：
[0017][0018]
其中是相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度，η是不同温度下相变微胶囊悬浮液的粘度，t是实时温度，t
start
是相变微胶囊熔化开始时的温度，t
end
是相变微胶囊熔化结束时的温度。
[0019]
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0020]
本发明首先确定了微胶囊芯材固-液相转变过程中相变微胶囊悬浮液粘度的变化情况；分析并计算了相变温区内相变微胶囊悬浮液的平均粘度；控制石蜡相变微胶囊悬浮
液其他参数相同，通过改变温升速率，实现了对相变温区内悬浮液平均粘度的调控。
附图说明
[0021]
图1是相变微胶囊的电子显微镜图。
[0022]
图2是相变微胶囊悬浮液的粘度随时间的变化关系图。
[0023]
图3是相变微胶囊悬浮液粘度随温度的变化关系图。
[0024]
图4是单相状态下的η-t曲线和瞬态变温下的η-t曲线的对比图。
[0025]
图5是相变微胶囊悬浮液的平均粘度与变温速率的关系曲线图。
具体实施方式
[0026]
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。
[0027]
实施例1
[0028]
石蜡相变微胶囊制备：
[0029]
将20g的乳化剂十二烷基硫酸钠(sds)溶解在390ml的去离子水中，滴加naoh将溶液的ph调节至7，然后在300rpm和80℃的条件下机械搅拌1.5h，得到完全溶解的乳化剂溶液；将200g的十八烷与上述所得乳化剂溶液一起倒入反应釜中，在150rpm和c档转速以及90℃下进行剪切搅拌1h，期间剪切机每运行20分钟停机2分钟，形成水包油乳液；剪切完毕以后加入甲醛树脂溶液，并再次剪切15分钟，接着在90℃、300rpm的条件下加入1.5g的三聚氰胺粉末，待反应30分钟后第二次加入3g的三聚氰胺粉末，反应1小时后打开反应釜，1小时后关闭加热，调低转速至150rpm，反应结束，得到高分子壳层包裹相变材料的微胶囊乳液；最后将微胶囊溶液在冻干机上真空条件下冻干24h后经过研磨后制备得到干燥的粉末状的石蜡相变微胶囊。
[0030]
石蜡相变微胶囊悬浮液的制备：
[0031]
使用电子天平分别称取5g的石蜡相变微胶囊与5g的表面活性剂十二烷基硫酸钠(sds)，将二者缓慢加入40ml的去离子水中，经搅拌10min之后放在磁力搅拌器上，在30℃、1000rpm的条件下持续搅拌30min，接着在超声波清洗器中超声分散1h，得到稳定分散的相变微胶囊悬浮液，其质量浓度为10％。
[0032]
上述制备的石蜡相变微胶囊的电子显微镜图如图1所示，胶囊的粒径较均一，并且外貌光滑规整；
[0033]
悬浮液粘度的测试：
[0034]
分别在温度为15℃、20℃、25℃、30℃或者35℃下，剪切速率范围为10-1500s-1
范围内，固定一个温度下测试上述相变微胶囊悬浮液的粘度随剪切速率的关系，剪切速率每变化一个数量级取15个粘度点，不同温度下测试得到的相变微胶囊悬浮液的粘度随剪切速率的变化关系η-γ曲线如图2所示，在600s-1
≤γ≤1100s-1
的范围内，悬浮液表现为粘度不变的牛顿流体，本实施例将研究范畴限定在牛顿流体的范畴，设定剪切速率为1000s-1
。
[0035]
剪切速率固定为1000s-1
，也即相变微胶囊悬浮液处于牛顿流体的剪切速率下，在15-35℃温度范围内，每隔1℃，保温10min后，恒温测量相变微胶囊悬浮液随时间变化的多个粘度值，每个温度点下测试1min，每隔2s取一个粘度点值，去除前十秒测试不稳定的粘度点值后，将剩下的粘度点值取平均后得到该温度下微胶囊芯材处于单相状态下的悬浮液粘
度，从而得到单相状态下的悬浮液粘度随温度的变化关系，即为单相状态下的η-t曲线。
[0036]
剪切速率同样固定为1000s-1
，也即相变微胶囊悬浮液处于牛顿流体的剪切速率下，通过加热器加热测试平台，将微胶囊悬浮液的温度从15℃升温到35℃，升温过程中，采集瞬态温度下的粘度值，最后得到瞬态变温下的相变微胶囊悬浮液粘度随温度的变化关系，即为瞬态变温下的η-t曲线，改变升温速率，测试得到变温速率为1.5℃/min、2℃/min、2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min、5℃/min和7.5℃/min的η-t曲线，如图3所示。
[0037]
平均粘度的计算和分析：
[0038]
图4是单相状态下的η-t曲线和瞬态变温下的η-t曲线的对比图，相变微胶囊悬浮液瞬态变温下的粘度曲线开始偏离单相状态下的粘度曲线的温度和又再次趋于单相状态下的粘度曲线的温度，分别为微胶囊芯材熔化的起始点和结束点，从中可以判断出悬浮液粘度因微胶囊芯材相变而发生变化的相变温度区段，即为相应的微胶囊芯材熔化开始时的温度到熔化结束时的温度。不同升温速率下，根据以下公式(1)计算相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度：
[0039][0040]
其中是相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度，η是不同温度下相变微胶囊悬浮液的粘度，t是实时温度，t
start
是相变微胶囊熔化开始时的温度，t
end
是相变微胶囊熔化结束时的温度。
[0041]
本实施例的相变微胶囊悬浮液在不同升温速率下的熔化开始温度t
start
和熔化结束温度t
end
，以及计算得出的平均粘度如下表1所示：
[0042]
表1相变微胶囊悬浮液不同升温速率下的平均粘度
[0043][0044][0045]
根据表1中的相变微胶囊悬浮液的平均粘度和升温速率绘制出关系曲线如图5所示，heating曲线可见相变微胶囊悬浮液的平均粘度随着升温速率的增大而不断减
小，并且相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度大于定温下相变微胶囊悬浮液的粘度值，因此实现了改变升温速率对相变温区内石蜡相变微胶囊悬浮液平均粘度的调控：控制相变微胶囊悬浮液其他参数相同(相同的粒径和浓度)，通过改变升温速率，就可以实现对相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度的调控。图5中的contant曲线是表示微胶囊芯材为单相时的平均粘度，这条参考线可以看出微胶囊芯材为单相时的平均粘度是基本不变的。
[0046]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法，其特征在于包含以下操作步骤：s1：采用原位聚合法制备得到外貌光滑、粒径均一的石蜡相变微胶囊，然后采用两步法制备稳定分散的相变微胶囊悬浮液；s2：在15-35℃温度范围内，固定温度下测试得到相变微胶囊悬浮液粘度随剪切速率的变化关系，确定相变微胶囊悬浮液处于粘度不变的牛顿流体时的剪切速率a；在15-35℃温度范围内和剪切速率a条件下，每隔0.5-1℃保温5-30min后测量相变微胶囊悬浮液随时间变化的多个粘度值，将所得多个粘度值取平均值作为单相状态下的悬浮液粘度，从而得到单相状态下的悬浮液粘度随温度的变化关系，即为单相状态下的η-t曲线；在15-35℃温度范围内，采用剪切速率a，在不同的升温速率下测试得到相变微胶囊悬浮液粘度随温度的变化关系，即为瞬态变温下的η-t曲线；s3：根据步骤s2所得单相状态下的η-t曲线和瞬态变温下的η-t曲线，分析确定悬浮液粘度因微胶囊芯材相变而发生变化的相变温度区段，即为相应的微胶囊芯材熔化开始时的温度到熔化结束时的温度；计算不同升温速率下相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度，得出升温速率和相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度的变化关系，二者呈现线性关系；控制相变微胶囊悬浮液其他参数相同，通过改变升温速率，实现了对相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度的调控。2.根据权利要求1所述的一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法，其特征在于：步骤s1所述原位聚合法具体按照以下步骤：首先，将乳化剂加入去离子水中，滴入碱溶液将ph值调至7-10，然后在40-100℃下以200-500rpm搅拌，得到完全溶解的乳化剂溶液；然后，将相变材料与乳化剂溶液倒入反应器中，在50-90℃、100-300rpm条件下剪切搅拌后，形成水包油乳液，接着加入高分子预聚体，在50-120℃下反应，形成高分子壳层包裹相变材料的微胶囊乳液；最后，将微胶囊乳液在冻干机中冻干，再经研磨后得到粉末状的石蜡相变微胶囊。3.根据权利要求1所述的一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法，其特征在于：步骤s1所述两步法具体按照以下步骤：称取质量比为1:3-0.5:1的石蜡相变微胶囊和阴离子表面活性剂，将二者一起加入去离子水中，经搅拌5min-15min后放入到磁力搅拌器上，在20-35℃温度下，转速为100-2000rpm搅拌20-40min，最后超声0.5-3h后得到质量浓度为5％-10％的相变微胶囊悬浮液。4.根据权利要求2所述的一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法，其特征在于：所述的相变材料是直链烷烃类化合物和直链烷烃卤代物中的至少1种，所述的高分子预聚体是密胺树脂、甲醛树脂或者聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。5.根据权利要求1所述的一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法，其特征在于：步骤s2所述测量相变微胶囊悬浮液随时间变化的多个粘度值是每隔0.5℃保温10min后进行测量。6.根据权利要求1所述的一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法，其特征在于：步骤s1所述微胶囊的粒径大小为0.5μm-30μm，步骤s2所述的粘度测试温度范围为10-35℃，剪切速率为100-5000s-1
，变温速率为0.1-15℃/min。7.根据权利要求1所述的一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的
方法，其特征在于：所述相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度的计算公式为：其中是相变温度区段内相变微胶囊悬浮液的平均粘度，η是不同温度下相变微胶囊悬浮液的粘度，t是实时温度，t
start
是相变微胶囊熔化开始时的温度，t
end
是相变微胶囊熔化结束时的温度。

技术总结
本发明属于功能材料制备领域，公开了一种利用温度变化速率调控烷烃类相变微胶囊悬浮液粘度的方法。首先使用原位聚合法制备了外貌光滑、粒径均匀的石蜡相变微胶囊，然后采用两步法制备了分散稳定的相变微胶囊悬浮液。通过加热台控制粘度测试中的实时温度，改变加热器功率，在不同升温速率下测试得到微胶囊悬浮液粘度随温度的变化关系，结果显示相变微胶囊悬浮液的粘度在芯材相变过程中会发生改变，并且相变温区内悬浮液的平均粘度随着升温速率的增大而减小。通过改变温度变化速率改变微胶囊悬浮液粘度随温度的变化关系，从而实现了对相变温区内相变微胶囊悬浮液粘度的调控。变温区内相变微胶囊悬浮液粘度的调控。


技术研发人员：贾莉斯 常包虎 陈颖 莫松平 王慧昌 钟凯 邓卓夫 黄耀凯
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/13