微射流技術(shù)制備相變材料微膠囊

微射流技術(shù)是一種非常高效、可控的微膠囊化方法，特別適合于制備粒徑均一、性能穩(wěn)定的微膠囊。

一、 什么是相變材料微膠囊？

相變材料：指在物相變化（如固-液、液-氣）過程中，能夠吸收或釋放大量潛熱的物質(zhì)。在微膠囊中通常使用固-液相變的材料，如石蠟、脂肪酸、水合鹽等。

微膠囊：一種將微小的液滴或固體顆粒（稱為芯材）用一層連續(xù)的薄膜（稱為壁材）包裹起來，形成微型容器的技術(shù)。

相變材料微膠囊：就是將相變材料作為芯材包裹起來。這樣做的好處是：

1. 防止泄漏：在相變材料熔化時(shí)，壁材能將其限制在內(nèi)部，防止其流動(dòng)和污染環(huán)境。

2. 增加傳熱面積：微小的膠囊提供了巨大的比表面積，提高了熱交換效率。

3. 提高穩(wěn)定性：保護(hù)芯材免受外界環(huán)境（如氧氣、水分）的影響。

4. 便于加工：固態(tài)的微膠囊可以更方便地?fù)饺氲嚼w維、涂料、塑料等基體中。

二、 微射流技術(shù)簡介

微射流技術(shù)是一種基于高壓流體動(dòng)力學(xué)的顆粒處理技術(shù)。其核心設(shè)備是微射流均質(zhì)機(jī)。

工作原理：待處理的流體在高壓下（通常可達(dá)40,000 psi或~2,750 bar）被泵入一個(gè)特制的“相互作用腔（金剛石交互容腔）"。在腔內(nèi)，流體通過極其微小的通道（如Z型或Y型），形成高速射流。這種高速射流會(huì)產(chǎn)生三種主要效應(yīng)：

1. 高剪切力：流體內(nèi)部速度梯度極大，產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力。

2. 空穴效應(yīng)：壓力急劇變化導(dǎo)致流體中微氣泡瞬間形成和潰滅，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。

3. 碰撞效應(yīng)：在Y型腔中，兩股高速射流相互碰撞，產(chǎn)生巨大的能量。

這些效應(yīng)的組合，能夠?qū)⒁旱纹扑槌晌⒚咨踔良{米級別，并且使得混合和反應(yīng)極其高效和均一。

三、 微射流法制備相變材料微膠囊的工藝流程

微射流技術(shù)通常不單獨(dú)完成整個(gè)微膠囊化過程，而是作為乳化和縮聚步驟中的關(guān)鍵設(shè)備，與化學(xué)聚合過程相結(jié)合。一個(gè)典型的工藝流程如下：

步驟1：配方設(shè)計(jì)

芯材：選擇所需的相變材料，如正十八烷、正二十烷、石蠟等。

壁材：選擇能夠形成穩(wěn)定薄膜的高分子材料。常用的有：

1. 三聚氰胺-甲醛樹脂：硬度高、致密性好，是常用的壁材之一。

2. 脲醛樹脂：成本較低。

3. 阿拉伯樹膠/明膠：天然壁材，用于復(fù)凝聚法。

4. 聚氨酯、聚苯乙烯等合成聚合物。

5. 乳化劑：用于穩(wěn)定初步乳化的液滴，防止其 coalescence（聚并）。

步驟2：預(yù)乳化

將芯材（相變材料）、壁材單體（或預(yù)聚體）、乳化劑和水混合，通過高速剪切機(jī)或普通均質(zhì)機(jī)進(jìn)行初步乳化，形成一個(gè)粗糙的、粒徑分布較寬的乳液（O/W型乳液）。這一步的目的是為下一步的微射流處理提供一個(gè)均勻的進(jìn)料。

步驟3：微射流乳化（核心步驟）

將預(yù)乳化后的乳液通過微射流均質(zhì)機(jī)在設(shè)定的壓力下（例如 10,000 - 30,000 psi）進(jìn)行循環(huán)處理。

作用：

1. 高效破碎：微射流的剪切力和空穴效應(yīng)將大的相變材料液滴破碎成尺寸均一、細(xì)小的微液滴。

2. 均質(zhì)化：獲得單分散性較好的、穩(wěn)定的納米/亞微米乳液。

3. 界面反應(yīng)促進(jìn)：劇烈的混合和微混合效應(yīng)，使得水相中的壁材單體與油-水界面充分接觸，為后續(xù)的界面聚合或原位聚合打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

這一步是獲得粒徑均一、高性能微膠囊的關(guān)鍵。

步驟4：聚合反應(yīng)

將經(jīng)過微射流處理后的精細(xì)乳液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，在控制的溫度、pH值和攪拌速度下進(jìn)行聚合反應(yīng)。

對于原位聚合：通過加熱或調(diào)節(jié)pH，引發(fā)壁材單體在芯材液滴表面聚合，形成完整的壁殼。

對于界面聚合：通常需要加入第二種反應(yīng)單體到水相中，兩種單體在芯材液滴界面發(fā)生聚合反應(yīng)。

步驟5：后處理

反應(yīng)完成后，通過過濾、離心、洗滌和干燥（通常是冷凍干燥以保持結(jié)構(gòu)）得到最終的相變材料微膠囊粉末。

四、 微射流技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)方法（如機(jī)械攪拌、超聲乳化）相比，微射流技術(shù)在制備微膠囊時(shí)具有顯著優(yōu)勢：

1. 粒徑均一，可控性強(qiáng)：能夠制備出單分散性非常好的微膠囊，粒徑分布極窄。通過調(diào)節(jié)操作壓力和處理次數(shù)，可以精確控制最終微膠囊的尺寸。

2. 包封效率高：形成的乳液液滴細(xì)小且穩(wěn)定，為壁材的均勻沉積提供了理想的模板，從而提高了芯材的包封率。

3. 壁材致密，性能穩(wěn)定：劇烈的混合使壁材單體在界面分布更均勻，形成的壁殼更致密、堅(jiān)固，有效防止芯材泄漏，并提高熱循環(huán)穩(wěn)定性。

4. 過程重現(xiàn)性好：作為機(jī)械過程，微射流的參數(shù)（壓力、流量）易于精確控制，保證了批次間的高度一致性。

5. 效率高，易于放大：處理速度快，且從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)的放大效應(yīng)較小。

五、 應(yīng)用領(lǐng)域

制備出的高性能相變材料微膠囊廣泛應(yīng)用于：

1. 建筑節(jié)能：摻入石膏板、混凝土或涂料中，用于溫度調(diào)節(jié)。

2. 紡織服裝：開發(fā)調(diào)溫智能紡織品（Outlast®技術(shù)是著名例子）。

3. 電子設(shè)備熱管理：作為導(dǎo)熱復(fù)合材料的填料，用于吸收芯片產(chǎn)生的脈沖熱量。

4. 食品和藥品冷鏈運(yùn)輸：作為保溫材料維持溫度穩(wěn)定。

5. 太陽能儲(chǔ)熱系統(tǒng)：儲(chǔ)存熱能，在需要時(shí)釋放。

總結(jié)

微射流技術(shù)通過其獨(dú)特的高壓流體動(dòng)力學(xué)原理，為制備高性能相變材料微膠囊提供了一種非凡的乳化手段。它不僅是實(shí)現(xiàn)微膠囊粒徑均一化的“利器"，更是提升微膠囊包封率、密封性和熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵工藝。隨著對微膠囊性能要求的不斷提高，微射流技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛和深入。