专利名称：一种多元复合固-固相变材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及相变储能材料技术领域，具体涉及一种多元复合的固-固相变材料及其制备方法。
背景技术：
蓄热调温纤维的发展不仅实现了能量的循环利用、缓解了能源危机，而且其功能性也满足了人们日益增长的物质需求。目前用作蓄热调温纤维的相变材料多集中于相变焓较高的固-液相变，然而其固有的液相转变引发了封装难的技术问题，即便是发展最为成熟的微胶囊法也因为成本过高而难于为大众所接受。从蓄热调温纤维的制备方法上讲，目前的应用多见的是湿法纺丝，而相对环境友好、工艺简单的传统熔纺技术的应用少见报道。 寻找新的固液相变材料的固载方法、合成出耐热性好的适合于熔融纺丝的复合相变材料， 是众多研究者努力的方向。为了解决这一问题，本发明提出制备一种多元复合的固-固相变材料，复合材料中相变工作物质分两种，一种是键合型固定的PEGA，一种为互穿网络固定的PEG，同时，该相变材料耐热性高，应用前景广泛。例如，可以通过熔融纺丝的方法制备蓄热调温纤维。发明内容
本发明的目的在于提供一种实现固-固相转变的相变材料的制备方法及用此方法制备的相变材料。此方法是以丙烯酸聚乙二醇酯(PEGA)和N-羟甲基丙烯酰胺(NMA)的单体，以N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，以聚乙二醇(PEG)为互穿网络组份，通过自由基聚合反应制备了 PEGA-NMA/PEG多元蓄热复合材料。通过PEGA和NMA的共聚反应实现对 PEG的键合型固载，在交联剂的作用下形成互穿网络，实现对共混组分PEG的网络固载，是一种新型的复合相变材料。此方法实现固-固相转变，提高了相变材料的耐热性，应用领域广泛，例如可作为熔融纺丝用蓄热功能添加剂制备蓄热调温纤维；可以用作塑料产业的加工助剂制备蓄热调温的塑料制品；用作蓄热功能助剂应用在建筑领域；用作蓄热助剂应用在太阳能领域等。
本发明可以通过以下技术方案实现
一种多元复合的固-固相变材料的制备方法，具体制备步骤如下丙烯酸聚乙二醇酯、N-羟甲基丙烯酰胺、聚乙二醇溶于去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入交联剂和引发剂，将体系温度升至70 80°C，反应2 5h，形成具有交联网络结构的水凝胶，将水凝胶于35°C干燥，即得到多元复合的PEGA-NMA/PEG固-固相变材料；其中，
所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，交联剂用量为PEGA、NMA, PEG三者总质量的2% 4% ；
所述引发剂为过硫酸铵或有机过氧类引发剂，引发剂用量为PEGA、NMA、PEG三者总质量的1.5% ；
所述PEGA和NMA的质量比为7 3 9 1 ；
所述PEG质量为PEGA和NMA总质量的40 % 60 % ；
所述去离子水的体积(ml)与PEGA、NMA 二者总质量(g)的比为6 1 10 1。
本发明中，有机过氧类引发剂优选过氧化苯甲酰；更优选的引发剂采用过硫酸铵；
优选的方案中，交联反应温度为75°C。
所述干燥方法为真空干燥、鼓风干燥、冷冻干燥中的一种。
本发明中使用的原料丙烯酸聚乙二醇酯可由市场购买，也可按公开号为 CN102093552的专利中公开的方法制备。
本发明方法制备的固-固相变材料，其结晶焓值可控制在67.85J/g 107.48J/g， 结晶温度在34. 66°C 43. 07°C之间，而且在300°C以下具有良好的热稳定性，可以较好的应用在相变纤维的熔体纺丝中。
本发明通过PEGA和NMA的共聚反应实现对PEG化学固载的同时，在交联剂的作用下形成互穿网络，实现对PEG的共混型网络固载，通过对共聚比例、共混比例等试验条件的控制，实现对相变温度和相变焓的控制，以满足不同的实际要求。本发明中，优选分子量 4000的PEG作为互传网络组分。
与其它已公开的定形相变储能材料及制备方法相比，本发明有以下优点
(1)本发明方法制备的固-固相变材料是一种多元复合体系，相变工作物质包括 PEGA和PEG两种组份，其中PEGA通过化学反应以键合方式实现，是永久定形，PEG通过互穿网络形式物理共混，通过网络间互穿缠结、分子间氢键作用、交联网络限域等多重定形。
(2)本发明制备的相变材料，共混组分的引入保持了材料原有的相变性能，缓解了化学反应导致的材料相变性能的下降问题，互穿网络的形成实现了对大分子量聚乙二醇的网络固载，解决了其高温下液态流失的问题。
(3)本发明制备的相变材料耐热性好，可适用于高温加工领域，工艺简单。
(4)本发明所制备的一系列相变材料结晶焓最高可达107. 48J/g，结晶温度在 27. 46°C 40. 40°C之间，符合服用蓄热调温纤维应用的温度要求。
(5)本发明的制备工艺简单，生产成本低。
应用实例
将本发明制备的多元复合固-固相变材料与聚丙烯(PP)按照12 88的质量比混合，通过单螺杆挤出机的挤压成型制备蓄热调温纤维，并用DSC测试其蓄热性能，如图5 所示，其相变焓为13. 18J/g。
图1是本发明方法制备得到的相变材料SEM扫描图片，图Ia放大倍数为150倍， 图Ib放大倍数为2000倍；
图2是本发明方法制备得到的相变材料晶体偏光照片；
图3是本发明方法制备得到的相变材料的DSC曲线；
图4是本发明方法制备得到的相变材料的热失重曲线。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明实施例中，PEGA按公开号为CN102093552的专利中公开的方法制备。
实施例1
将2. 7gPEGA、0. 3gNMA、4. 5gPEG4000溶于18ml去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入0. 06g N-N，亚甲基双丙烯酰胺、0. 045g过硫酸铵，将体系温度升至75°C， 反应3.证，形成具有交联网络结构的水凝胶，经48小时冷冻干燥得到共聚共混型凝胶相变材料 PEGA-NMA/PEG。
对上述相变材料的断面进行SEM分析[见图1]，该方法所制备的复合材料两相结构分散均勻、看不到明显的相分离，由图还可以看出冷冻干燥最大程度的保存了复合材料成型所得的三维网络结构，复合材料内部均勻分散着直径在一微米到几微米不等的孔洞， 实现了对相变材料的共聚共混网络型固载。
通过对相变材料的结晶形态观察发现[见图2]，网络的形成使大分子链自由运动的链段长度减小、分子链活动能力下降，结晶能力下降，观察不到完整的球晶结构。升温熔融过程中凝胶变软、透明，弹性增强，说明网络对纯PEG的固载效果较好，没有液态流失。
通过DSC差热分析[见图3]，所制备的相变材料在50. 51°C开始出现熔融峰，熔融焓为138. 59J/g，在43°C开始出现结晶峰，结晶焓为107. 48J/g。
通过热失重[见图4]研究，可以看出本研究制备的共聚共混相变粒子在300°C以下具有良好的热稳定性。
实施例2
将2. IgPEGA,0. 9gNMA、2gPEG4000溶于18ml去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入0. 06g N-N，亚甲基双丙烯酰胺、0. 045g过硫酸铵，将体系温度升至75°C，反应池，形成具有交联网络结构的水凝胶，经48小时冷冻干燥得到共聚共混型凝胶相变材料。
实施例3
将2. 4gPEGA、0. 6gNMA、2gPEG4000溶于Mml去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入0. 09g N-N，亚甲基双丙烯酰胺、0. 045g过硫酸铵，将体系温度升至75°C，反应池，形成具有交联网络结构的水凝胶，经48小时鼓风干燥得到共聚共混型凝胶相变材料。
实施例4
将2. 7gPEGA、0. 3gNMA、2gPEG4000溶于30ml去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入0. 12g N-N，亚甲基双丙烯酰胺、0. 045g过硫酸铵，将体系温度升至75°C，反应3.证，形成具有交联网络结构的水凝胶，经48小时鼓风干燥得到共聚共混型凝胶相变材料。
实施例5
将2. IgPEGA,0. 9gNMA、3gPEG4000溶于30ml去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入0. 09g N-N，亚甲基双丙烯酰胺、0. 045g过硫酸铵，将体系温度升至75°C，反应池，形成具有交联网络结构的水凝胶，经48小时真空干燥得到共聚共混型凝胶相变材料。5
实施例6
将2. 7gPEGA、0. 3gNMA、23gPEG4000溶于2細1去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入0. 06g N-N，亚甲基双丙烯酰胺、0. 045g过硫酸铵，将体系温度升至75°C，反应3.证，形成具有交联网络结构的水凝胶，经48小时真空干燥得到共聚共混型凝胶相变材料。
实施例7
将2. 4gPEGA、0. 6gNMA、3gPEG4000溶于18ml去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入0. 12g N-N，亚甲基双丙烯酰胺、0. 045g过硫酸铵，将体系温度升至75°C，反应池，形成具有交联网络结构的水凝胶，经48小时鼓风干燥得到共聚共混型凝胶相变材料。
实施例8
将2. 4gPEGA、0. 6gNMA、4. 5gPEG4000溶于30ml去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入0. 06g N-N，亚甲基双丙烯酰胺、0. 045g过硫酸铵，将体系温度升至75°C， 反应证，形成具有交联网络结构的水凝胶，经48小时鼓风干燥得到共聚共混型凝胶相变材料。
实施例9
将2. 7gPEGA、0. 3gNMA、4. 5gPEG4000溶于18ml去离子水中，在超声分散中充分分散混合均勻，加入0. 09g N-N，亚甲基双丙烯酰胺、0. 045g过硫酸铵，将体系温度升至75°C， 反应证，形成具有交联网络结构的水凝胶，经48小时鼓风干燥得到共聚共混型凝胶相变材料。
权利要求
1.一种多元复合固-固相变材料的制备方法，具体制备步骤如下PEGA、NMA、PEG溶于去离子水中，超声分散使溶液混合均勻，加入交联剂和引发剂，将体系温度升至70 80°C， 反应2 证，形成具有交联网络结构的水凝胶，将水凝胶于35°C干燥，即得到PEGA-NMA/PEG 多元复合固-固相变材料；其中，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，交联剂用量为PEGA、NMA, PEG三者总质量的 2% 4% ；所述引发剂为过硫酸铵或有机过氧类引发剂，引发剂用量为PEGA、NMA, PEG三者总质量的1.5% ；所述PEGA和NMA的质量比为7 3 9 1 ；所述PEG质量为PEGA和NMA总质量的40% 60% ；所述去离子水的体积与PEGA、NMA 二者总质量的比为6 1 10 1。
2.根据权利要求1所述的共聚共混型固-固相变材料的制备方法，其特征在于所述引发剂为过硫酸铵。
3.根据权利要求1或2所述的共聚共混型固-固相变材料的制备方法，其特征在于 交联反应温度为75°C。
4.根据权利要求1所述的共聚共混型固-固相变材料的制备方法，其特征在于所述干燥为真空干燥、鼓风干燥、冷冻干燥中的一种。
5.如权利要求1 4中任一项权利要求所述方法制备的多元复合固-固相变材料。
6.根据权利要求5所述的多元复合固-固相变材料，其特征在于，所述多元复合固-固相变材料的结晶焓值为67. 85J/g 107. 48J/g，结晶温度为34. 66°C 43. 07°C，在300°C 以下有良好的热稳定性。全文摘要
一种多元复合的固-固相变材料的制备方法，将丙烯酸聚乙二醇酯、N-羟甲基丙烯酰胺、聚乙二醇溶于去离子水中，超声分散，加入交联剂和引发剂，升温至70～80℃反应2～5h，形成具有交联网络结构的水凝胶，将水凝胶于35℃干燥，即得到多元复合的PEGA-NMA/PEG固-固相变材料。本发明通过PEGA和NMA的共聚反应实现对PEG的化学固载，在交联剂的作用下形成互穿网络，实现对共混组分PEG的网络固载，得到一种新型的复合相变材料。本发明实现固-固相转变，提高了相变材料的耐热性，可作为熔融纺丝用蓄热功能添加剂。
文档编号C08J3/24GK102492396SQ20111038827
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者刘辉, 孙狄克, 张鸿, 杨淑瑞, 王倩倩, 相恒学 申请人:大连工业大学