CN110506743A - 一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊及其制备方法 - Google Patents

一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊及其制备方法。本发明的导热性能优良的抗菌相变微胶囊的芯材为直链烷烃和纳米银粉的混合物，壳层为二氧化硅，其制备方法包括以下步骤：1)制备二氧化硅活性单体溶液；2)配制表面活性剂溶液；3)配制芯材溶液；4)将芯材溶液加入表面活性剂溶液中，进行搅拌、消泡，得到乳液；5)将二氧化硅活性单体溶液加入乳液中，充分搅拌，再过滤、清洗、干燥。本发明的相变微胶囊具有优异的抑菌杀菌性能和优良的导热性能，热稳定性好，且制备工艺简单，可以广泛用于衣服、袜子、枕头、床垫、医用防护材料等行业，具有传热和杀菌双重功效。

Description

一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊及其制备方法，属于微胶囊相变材料技术领域。
背景技术
能源是人类社会发展的动力，是人类赖以生存的基础，几乎一切人类活动都和能源有着密切联系。能源可以分为常规能源(煤、石油、天然气等化石燃料)和可再生能源(太阳能、水能、生物能、风能、地热等)两大类。然而，人类在生产生活过程中使用的主要是常规能源，这类能源储量有限，且短期内不可再生。随着社会的发展，人类对能源的需求越来越大，加之人类对能源的利用率普遍不高，导致世界能源的供给日趋紧张。
目前，可再生能源的有效利用问题成为了人们关注的重点。热能储存***为能量储存提供了可能性，潜热储存是热能储存最有效的方式。相变材料可以通过相转变实现热量存储，是一种重要的潜热存储材料，具有很好的潜在应用前景。然而，传统的相变材料在发生相变时，其体积也会随之发生改变，使用时很不方便，且还存在液态时容易发生泄漏、固态时导热效率低的问题，阻碍了其推广应用。微胶囊技术的出现使得传统相变材料广泛应用成为了可能，微胶囊能够将相变材料与外界隔绝，使相变发生在微胶囊内部，解决了相变材料发生相变时容易泄露及重复利用性差的问题。
近年来，出现了很多组成和性质不同的微胶囊相变材料，例如：CN 101670256A公开了一种以乙烯基单体或/和丙烯酸酯类单体的聚合物为壳材，以长链烷烃为芯材的相变微胶囊材料；CN 101701146A公开了一种以丙烯酸烷基脂、甲基丙烯酸烷基脂、苯乙烯和甲基苯乙烯中的1～3种的聚合物为壳材，以正构烷烃类化合物为芯材的微胶囊相变材料；CN103865494A公开了一种以聚甲基丙烯酸甲酯为壳材，以正十四烷或十二醇/葵醇(1:1)为芯材的微胶囊相变材料。然而，以上几种微胶囊相变材料虽然都具有不错的热量存储效果，但均不具备抗菌性能，易滋生细菌，且导热效率低，所以仍然无法很好地满足实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊，芯材为直链烷烃和纳米银粉的混合物，壳层为二氧化硅。
优选的，所述相变微胶囊中芯材占65wt％～85wt％，壳层占15wt％～35wt％。
优选的，所述芯材由直链烷烃和纳米银粉按照质量比1：(0.001～0.002)混合而成。
优选的，所述相变微胶囊的粒径为40～100μm，壳层厚度为2～6μm。
优选的，所述直链烷烃为石蜡。
优选的，所述纳米银粉的粒径为25～50nm。
上述导热性能优良的抗菌相变微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
1)将甲基三甲氧基硅烷加入盐酸中，进行水解，得到二氧化硅活性单体溶液；
2)将表面活性剂加水分散，得到表面活性剂溶液；
3)将直链烷烃、纳米银粉和分散剂加入溶剂中，分散均匀，得到芯材溶液；
4)将芯材溶液加入表面活性剂溶液中，充分搅拌，再加入消泡剂消泡，得到乳液；
5)将二氧化硅活性单体溶液加入乳液中，充分搅拌，再过滤、清洗、干燥，得到导热性能优良的抗菌相变微胶囊。
优选的，上述导热性能优良的抗菌相变微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
1)将甲基三甲氧基硅烷加入盐酸中，30～40℃水解0.5～1.5h，得到二氧化硅活性单体溶液；
2)将表面活性剂加入水中，再在温度35～40℃、搅拌机转速200～400rpm的条件下搅拌分散，得到表面活性剂溶液；
3)将直链烷烃、纳米银粉和分散剂加入溶剂中，超声分散，得到芯材溶液；
4)将芯材溶液加入表面活性剂溶液中，再在搅拌机转速1000～1200rpm的条件下搅拌4～6min，再调整搅拌机转速至300～400rpm，加入消泡剂消泡，得到乳液；
5)将二氧化硅活性单体溶液加入乳液中，再在温度35～40℃、搅拌机转速300～400rpm的条件下搅拌3～5h，再过滤、水洗多次、常温干燥，得到导热性能优良的抗菌相变微胶囊。
优选的，所述直链烷烃、甲基三甲氧基硅烷、纳米银粉的质量比为1：(0.4～1.2)：(0.001～0.002)。
优选的，步骤1)所述盐酸为pH值2～4的盐酸。
优选的，步骤2)所述表面活性剂为十二烷基二甲基苄基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵中的至少一种。
优选的，所述3)所述分散剂为吐温60、吐温80、司班60、司班80中的至少一种。
优选的，所述3)所述溶剂为正己烷、环己烷、甲苯、乙酸乙酯中的至少一种。
优选的，所述4)所述消泡剂为辛醇、有机硅氧烷、聚醚、二甲基硅油中的至少一种。
本发明的有益效果是：本发明的相变微胶囊具有优异的抑菌杀菌性能和优良的导热性能，热稳定性好，且制备工艺简单，可以广泛用于衣服、袜子、枕头、床垫、医用防护材料等行业，具有传热和杀菌双重功效。
1)本发明将纳米银粉混合在芯材中，不仅可以赋予相变微胶囊优异的抑菌杀菌性能(对大肠杆菌、***、沙眼衣原体等数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用，且不会产生耐药性)，而且和传统的以纳米银粉作为壳层的相变微胶囊相比，纳米银粉不容易被空气氧化，抑菌杀菌效果更加持久；
2)本发明将二氧化硅作为壳层来包覆芯材，壳层具有丰富的多孔通道，相变微胶囊在应用过程中可以持续释放银离子，使得相变微胶囊具有持续抗菌能力；
3)本发明中的纳米银粉和二氧化硅均具有良好的导热性能，两者的加入可以使相变微胶囊对外界温度响应更快，具有更好的控温效果；
4)本发明在制备相变微胶囊的过程中还使用了季铵盐类分散剂，能够进一步增强相变微胶囊的杀菌能力；
5)本发明的制备工艺简单，工艺路线短，制备的相变微胶囊粒径均匀。
附图说明
图1为实施例1的相变微胶囊的SEM图(放大300倍)。
图2为实施例1的相变微胶囊的SEM图(放大1000倍)。
图3为实施例1的相变微胶囊的DSC图。
图4为实施例1的相变微胶囊与大肠杆菌、***、沙眼衣原体作用后细菌存活率随时间变化曲线(0～20h)。
图5为实施例1的相变微胶囊与大肠杆菌、***、沙眼衣原体作用后细菌存活率随时间变化曲线(20～40h)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其制备方法包括以下步骤：
1)将4质量份甲基三甲氧基硅烷加入8质量份pH＝3的盐酸中，再置于35℃水浴，搅拌水解1h，得到二氧化硅活性单体溶液；
2)将12质量份2.5wt％的十六烷基三甲基氯化铵水溶液加入50质量份水中，再置于40℃水浴中搅拌分散(搅拌机转速300rpm)，得到表面活性剂溶液；
3)将5质量份石蜡、0.005质量份纳米银粉(粒径25～50nm)和0.05质量份吐温80加入5质量份环己烷中，超声分散，得到芯材溶液；
4)将芯材溶液缓慢加入表面活性剂溶液中，再在搅拌机转速1200rpm的条件下搅拌5min，再调整搅拌机转速至300rpm，加入0.1质量份辛醇消泡，得到乳液；
5)将二氧化硅活性单体溶液缓慢加入乳液中，再置于35℃水浴中，搅拌分散4h(搅拌机转速300rpm)，再过滤、水洗3次、常温通风干燥，得到导热性能优良的抗菌相变微胶囊。
性能测试：
1)相变微胶囊的SEM图如图1(放大300倍)和图2(放大1000倍)所示。
由图1可知：相变微胶囊的粒径为40～60μm；
由图2可知：二氧化硅壳层呈多孔状，厚度为2～6μm。
2)相变微胶囊的DSC图如图3所示。
由图3可知：相变微胶囊的相变温度为30.93℃，结晶焓为199.8J/g，熔融焓为201.2J/g。
3)抗菌测试：取3个培养皿，分别加入10mL的含大肠杆菌培养液(菌落总数：1.6×104个)、含***培养液(菌落总数：2.1×104个)和含沙眼衣原体培养液(菌落总数：1.3×104个)，再分别加入0.01g相变微胶囊，每隔2h测试各菌落的存活率，得到的细菌存活率随时间变化曲线如图4所示，20h后再在3个培养皿中分别补加含大肠杆菌培养液、含***培养液和含沙眼衣原体培养液，每隔2h测试各菌落的存活率，得到的细菌存活率随时间变化曲线如图5所示。
由图4可知：加入相变微胶囊2h后，大肠杆菌、***和沙眼衣原体存活率分别为57.6％、39.2％和24.3％，14h时后三种细菌完全灭活，说明相变微胶囊具有优异的抑菌杀菌性能。
由图5可知：相变微胶囊在使用20h后杀菌效果有所下降，但仍然可以在38h时将三种细菌完全灭活，具有优异的持续性抗菌能力。
实施例2：
一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其制备方法包括以下步骤：
1)将6质量份甲基三甲氧基硅烷加入12质量份pH＝3的盐酸中，再置于38℃水浴，搅拌水解1h，得到二氧化硅活性单体溶液；
2)将12质量份2.5wt％的十六烷基三甲基氯化铵水溶液加入50质量份水中，再置于35℃水浴中搅拌分散(搅拌机转速300rpm)，得到表面活性剂溶液；
3)将5质量份石蜡、0.01质量份纳米银粉(粒径25～50nm)和0.05质量份吐温80加入5质量份环己烷中，超声分散，得到芯材溶液；
4)将芯材溶液缓慢加入表面活性剂溶液中，再在搅拌机转速1200rpm的条件下搅拌4min，再调整搅拌机转速至300rpm，加入0.1质量份聚醚消泡，得到乳液；
5)将二氧化硅活性单体溶液缓慢加入乳液中，再置于38℃水浴中，搅拌分散3h(搅拌机转速400rpm)，再过滤、水洗4次、常温通风干燥，得到导热性能优良的抗菌相变微胶囊。
性能测试：
参照实施例1的方法对相变微胶囊进行性能测试，测试得到：
1)相变微胶囊的粒径为60～100μm，其中的二氧化硅壳层呈多孔状，厚度为2～6μm；
2)相变微胶囊的相变温度为29.11℃，结晶焓为202.0J/g，熔融焓为203.6J/g；
3)加入相变微胶囊2h后，大肠杆菌、***和沙眼衣原体存活率分别为51.2％、38.0％和23.3％，12h时后三种细菌完全灭活，相变微胶囊在使用20h后杀菌效果有所下降，但仍然可以在36h时将三种细菌完全灭活，说明相变微胶囊具有优异的抑菌杀菌性能和优异的持续性抗菌能力。
实施例3：
一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其制备方法包括以下步骤：
1)将4质量份甲基三甲氧基硅烷加入15质量份pH＝3的盐酸中，再置于40℃水浴，搅拌水解0.5h，得到二氧化硅活性单体溶液；
2)将12质量份2.5wt％的十六烷基三甲基氯化铵水溶液加入50质量份水中，再置于40℃水浴中搅拌分散(搅拌机转速200rpm)，得到表面活性剂溶液；
3)将5质量份石蜡、0.01质量份纳米银粉(粒径25～50nm)和0.05质量份吐温60加入5质量份环己烷中，超声分散，得到芯材溶液；
4)将芯材溶液缓慢加入表面活性剂溶液中，再在搅拌机转速1000rpm的条件下搅拌5min，再调整搅拌机转速至400rpm，加入0.2质量份辛醇消泡，得到乳液；
5)将二氧化硅活性单体溶液缓慢加入乳液中，再置于35℃水浴中，搅拌分散4h(搅拌机转速300rpm)，再过滤、水洗3次、常温通风干燥，得到导热性能优良的抗菌相变微胶囊。
性能测试：
参照实施例1的方法对相变微胶囊进行性能测试，测试得到：
1)相变微胶囊的粒径为40～80μm，其中的二氧化硅壳层呈多孔状，厚度为2～6μm；
2)相变微胶囊的相变温度为24.27℃，结晶焓为207.2J/g，熔融焓为207.7J/g；
3)加入相变微胶囊2h后，大肠杆菌、***和沙眼衣原体存活率分别为55.3％、38.6％和23.3％，14h时后三种细菌完全灭活，相变微胶囊在使用20h后杀菌效果有所下降，但仍然可以在38h时将三种细菌完全灭活，说明相变微胶囊具有优异的抑菌杀菌性能和优异的持续性抗菌能力。
实施例4：
一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其制备方法包括以下步骤：
1)将3质量份甲基三甲氧基硅烷加入6质量份pH＝2.5的盐酸中，再置于35℃水浴，搅拌水解1h，得到二氧化硅活性单体溶液；
2)将12质量份2.5wt％的十八烷基三甲基氯化铵水溶液加入50质量份水中，再置于40℃水浴中搅拌分散(搅拌机转速400rpm)，得到表面活性剂溶液；
3)将5质量份石蜡、0.007质量份纳米银粉(粒径25～50nm)和0.05质量份司班80加入5质量份环己烷中，超声分散，得到芯材溶液；
4)将芯材溶液缓慢加入表面活性剂溶液中，再在搅拌机转速1100rpm的条件下搅拌6min，再调整搅拌机转速至350rpm，加入0.2质量份有机硅氧烷消泡，得到乳液；
5)将二氧化硅活性单体溶液缓慢加入乳液中，再置于40℃水浴中，搅拌分散3h(搅拌机转速300rpm)，再过滤、水洗3次、常温通风干燥，得到导热性能优良的抗菌相变微胶囊。
性能测试：
参照实施例1的方法对相变微胶囊进行性能测试，测试得到：
1)相变微胶囊的粒径为40～70μm，其中的二氧化硅壳层呈多孔状，厚度为2～6μm；
2)相变微胶囊的相变温度为33.2℃，结晶焓为196.5J/g，熔融焓为197.6J/g；
3)加入相变微胶囊2h后，大肠杆菌、***和沙眼衣原体存活率分别为57.2％、38.8％和23.6％，14h时后三种细菌完全灭活，相变微胶囊在使用20h后杀菌效果有所下降，但仍然可以在38h时将三种细菌完全灭活，说明相变微胶囊具有优异的抑菌杀菌性能和优异的持续性抗菌能力。
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。

Claims (10)

1.一种导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其特征在于：芯材为直链烷烃和纳米银粉的混合物，壳层为二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其特征在于：所述相变微胶囊中芯材占65wt％～85wt％，壳层占15wt％～35wt％；所述芯材由直链烷烃和纳米银粉按照质量比1：(0.001～0.002)混合而成。
3.根据权利要求1所述的导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其特征在于：所述相变微胶囊的粒径为40～100μm，壳层厚度为2～6μm。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其特征在于：所述直链烷烃为石蜡。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其特征在于：所述纳米银粉的粒径为25～50nm。
6.权利要求1～5中任意一项所述的导热性能优良的抗菌相变微胶囊的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将甲基三甲氧基硅烷加入盐酸中，进行水解，得到二氧化硅活性单体溶液；
2)将表面活性剂加水分散，得到表面活性剂溶液；
3)将直链烷烃、纳米银粉和分散剂加入溶剂中，分散均匀，得到芯材溶液；
4)将芯材溶液加入表面活性剂溶液中，充分搅拌，再加入消泡剂消泡，得到乳液；
5)将二氧化硅活性单体溶液加入乳液中，充分搅拌，再过滤、清洗、干燥，得到导热性能优良的抗菌相变微胶囊。
7.根据权利要求6所述的导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其特征在于：所述直链烷烃、甲基三甲氧基硅烷、纳米银粉的质量比为1：(0.4～1.2)：(0.001～0.002)。
8.根据权利要求6或7所述的导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其特征在于：步骤1)所述盐酸为pH值2～4的盐酸。
9.根据权利要求6或7所述的导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其特征在于：步骤2)所述表面活性剂为十二烷基二甲基苄基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵中的至少一种。
10.根据权利要求6或7所述的导热性能优良的抗菌相变微胶囊，其特征在于：所述3)所述分散剂为吐温60、吐温80、司班60、司班80中的至少一种；所述3)所述溶剂为正己烷、环己烷、甲苯、乙酸乙酯中的至少一种；所述4)所述消泡剂为辛醇、有机硅氧烷、聚醚、二甲基硅油中的至少一种。
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