相變微膠囊的制備與其在天然氣管道涂料中運用的可行性分析

洪開煜

進入21世紀以來，相變微膠囊（MEPCM，Microencapsulated Phase Change Material）逐漸走進了科學家們的視線中。相變微膠囊是一種隨溫度的變化而本身的物質狀態改變的一種物質，在狀態改變的過程中，會吸收或釋放出大量潛熱。通過氧化石墨烯改性的相變微膠囊可以提高相變微膠囊的導熱系數，進行光熱轉換。本文針對氧化石墨烯改性的相變微膠囊的制備及其熱物性和潛熱型功能熱流體的制備及其熱物性進行了相關研究工作，并以此探討天然氣輸送鋼管涂摻有相變微膠囊的保溫涂料的可行性。

【關鍵詞】：相變微膠囊 儲熱性能 潛熱型功能熱流體 天然氣管道 保溫涂料

1 氧化石墨烯改性的相變微膠囊的制備及性能研究

本文選擇正十八烷（含量≥99.0%）為芯材，其熔點在28～31℃之間，采用三聚氰胺（分析純≥78.0%）和甲醛（分析純37.0-40.0%）制備密胺樹脂（melamine-formaldehyde resin，MF樹脂）作為壁材。選擇苯乙烯-馬來酸酐（SMA）作為乳化劑。相變微膠囊的制備采用原位聚合法。

將2g SMA粉末、1.2g氫氧化鈉（分析純≥96%）和36.8g去離子水加入燒杯中，水浴50℃、1200r/min磁力攪拌6h，制得5wt.%苯乙烯-馬來酸酐共聚物鈉鹽乳化劑。將2g正十八烷和8mL去離子水混合加入到燒杯中，水浴加熱到70℃。取10g乳化劑溶液加入到熔融十八烷和去離子水混合溶液中，水浴70℃、2500r/min磁力攪拌2h，得到穩定的O/W乳液，將2mL氧化石墨烯分散液（2mg/mL）加入到乳液中，繼續攪拌10min，隨后用10wt.%檸檬酸調pH至4.5-5。

隨后將1.96g甲醛水溶液和0.9g三聚氰胺加入到燒杯中，加入7.5mL去離子水，用10wt.%三乙醇胺溶液調節pH至8.5-9，水浴70℃、600r/min磁力攪拌，攪拌至透明后繼續攪拌20min。

將預聚體溶液緩慢滴加（1.5mL/min）到正十八烷/氧化石墨烯乳液中，乳液保持70℃、600r/min磁力攪拌，所有預聚體溶液都被加入后，在相同條件下繼續攪拌2h后，用10wt.%三乙醇胺溶液調節pH至8.5-9結束反應。將所得產物抽濾，用無水乙醇、石油醚、去離子水各洗滌3次，然后在真空干燥箱中100℃真空干燥24h，得到圖1干燥的相變微膠囊粉末。可以看出，添加完氧化石墨烯之后的相變微膠囊的呈現暗黃色（不添加氧化石墨烯的相變微膠囊粉末為白色），且過濾洗滌之后不變色，說明氧化石墨烯已經成功加入到相變微膠囊之中。

圖1 干燥的相變微膠囊粉末

該樣品DSC測試結果：樣品的融化峰值溫度是29.87℃，熔化潛熱是125.98J/g，冷卻峰值溫度是25.27℃，凝固潛熱是124.93J/g。

2 具有光熱轉換特性的潛熱型功能熱流體的性能研究

潛熱型功能熱流體，英文名Latent Functional Thermal Fluid（LFTF），是一種由相變材料與單相熱流體制備而成的流體。

2.1研究意義與目的

將相變微膠囊應用到潛熱型功能熱流體中，主要是為了研究將相變微膠囊加入到天然氣鋼管涂漆中。通過這樣的方式，促使涂漆面在白天吸收光照熱量儲能，夜間可以釋放熱量，而且由于相變微膠囊的引入，管道升溫和降溫的過程都得到了延長，以此達到管道長時間保溫的目的。

2.2相變微膠囊懸浮液的制備

將相變微膠囊分散在PVA溶液中。首先制備了質量分數為10wt.%的PVA溶液。取5mL加入到試管中，再取0.5g相變微膠囊粉末加入到試管中，震蕩后再超聲20min，使相變微膠囊顆粒均勻分散在基液中。同時，取了5mL去離子水加入到試管中，取0.1g SDS加入到去離子水中震蕩至其完全溶解，取0.5g相變微膠囊粉末加入到試管中，震蕩后再超聲20min，使相變微膠囊顆粒均勻分散在水中中。靜置開始觀察。

2.3光熱轉換實驗

將懸浮液中間層的分散液用移液槍抽出15mL至試管中，樣品記為LFTF-H，再從這根試管中抽出5mL至另一根試管，再加入質量分數為10wt.%的PVA溶液5mL，樣品記為LFTF-L，這樣即可配制出兩份相變微膠囊含量不同的潛熱型功能熱流體，另外取了純質量分數為10wt.%的PVA溶液10mL到試管中，樣品記為LFTF。

隨后按照實驗裝置系統圖搭建試驗臺，開始進行光熱轉換實驗，三個樣品溶液的光熱轉換均在同一條件下進行。

升溫到相同的溫度，LFTF-H的速度大于LFTF-L的速度大于LFTF的速度。在28～31℃之間，LFTF-H和LFTF-L有一個趨勢穩定吸熱的過程，樣品溶液所能達到的終溫也有所不同。樣品LFTF-H和LFTF-L的降溫過程很平穩，而樣品LFTF的降溫速率明顯大于LFTF-H和LFTF-L的速率，且溫度波動較明顯。

測量相關數據，計算光熱轉換效率。在約900W/m2光強下，純基液的光熱轉換效率只有22.21%，而加入了相變微膠囊的LFTF-L和LFTF-H為34.20%和47.72%，比純基液分別提高了53.9%和114.8%。

3 總結

選擇合適的相變材料（熔點溫度范圍在合適的天然氣輸運管道溫度范圍內）制備相變微膠囊，加入到鋼管涂漆中，充分利用太陽能，理論上可以還可以解決管道晝夜溫差大導致的輸氣耗損問題。

【參考文獻】：

【1】 劉臣臻. 相變微膠囊儲能過程傳熱與流動特性研究[D]. 中國礦業大學， 2017.

【2】 時雨荃， 杜春霞， 趙鎮南，等. 相變微膠囊壁材結構與力學強度及密封性的關系[J]. 高分子材料科學與工程， 2005， 21（5）：188-192.