相變微膠囊的表征方法概述

(通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(青島)有限公司 山東 青島 266100)

一、化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

對(duì)相變微膠囊進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)表征一方面是為了明確制備的微膠囊所含的成分，判斷所制備的微膠囊中芯材與壁材成分的存在；另一方面對(duì)微膠囊進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)的表征可以驗(yàn)證芯材與壁材是否有化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。

相變微膠囊最常用的化學(xué)結(jié)構(gòu)表征手段為紅外光譜分析，紅外光譜分析是利用紅外吸收光譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分析和鑒定。每種物質(zhì)都含有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的特有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。相變微膠囊一般為核殼結(jié)構(gòu)，殼層是性能穩(wěn)定的膜材料，芯材為相變材料，殼層與芯材都有其特有的紅外吸收光譜，因此可以通過(guò)對(duì)所制備的產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析來(lái)判斷產(chǎn)物中是否既含有芯材成分又含有壁材成分，以及通過(guò)對(duì)比產(chǎn)物的紅外吸收普?qǐng)D中有無(wú)吸收峰的遷移來(lái)判斷芯材與壁材是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

紅外光譜側(cè)重于對(duì)相變微膠囊整體成分的分析，而X射線光電子能譜與能量色散X射線熒光分析則側(cè)重于樣品表層結(jié)構(gòu)的分析。因此，將紅外光譜與X射線光電子能譜或能量色散X射線熒光分析相結(jié)合，甚至三種手段相結(jié)合來(lái)對(duì)相變微膠囊的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征被越來(lái)越多的研究者所采用。

二、表面形貌分析

相變微膠囊的表面形貌，尤其是顆粒的大小與形狀對(duì)于獲得理想的性能有重要的影響。相變微膠囊的耐熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、透明性、流動(dòng)性、強(qiáng)度及韌性都相變微膠囊的表面形貌有關(guān)。掃描電子顯微鏡是表征相變微膠囊的形狀、大小、表面結(jié)構(gòu)及分散性最重要的一種方式。

掃描電子顯微鏡主要是利用二次電子信號(hào)成像來(lái)觀察樣品的表面形態(tài)，即用一束極細(xì)的電子束掃描樣品，電子束與樣品的相互作用激發(fā)出次級(jí)電子，次級(jí)電子由探測(cè)體收集，并在那里被閃爍器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，再經(jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)來(lái)控制熒光屏上電子束的強(qiáng)度，顯示出與電子束同步的掃描圖像，即放大的樣品表面的形貌圖。因此，通過(guò)SEM圖可以直觀的觀察相變微膠囊的表面形貌。

光學(xué)顯微鏡在相變微膠囊初期的研究中有著廣泛的應(yīng)用，但隨著所制備的相變微膠囊的顆粒度逐漸變小以及掃描電子顯微技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡的使用頻率逐漸下降。

透射電子顯微鏡(TEM)是由電子槍發(fā)射出電子束經(jīng)過(guò)聚光鏡處理后匯聚成光斑，照射在樣品上；透過(guò)樣品的電子量與樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，并將轉(zhuǎn)換成可供觀察的影像，因此，可以通過(guò)最終的影像信息判斷樣品的結(jié)構(gòu)信息。TEM可用來(lái)表征相變微膠囊的核殼結(jié)構(gòu)。

上述方法都能用來(lái)表征所制備的相變微膠囊的大小及分散程度，掃描電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡更側(cè)重于表面形貌的表征，而透射電子顯微鏡則側(cè)重于對(duì)其核殼結(jié)構(gòu)的表征。

三、熱穩(wěn)定性表征

相變微膠囊的耐熱性是影響其應(yīng)用的一個(gè)主要因素，例如，在建筑方面對(duì)相變微膠囊耐熱性要求較低，而若采用熔融紡絲的方法制備具有相變功能的纖維則對(duì)微膠囊的耐熱性能要求較高，通常需要耐250℃以上的高溫。目前，對(duì)相變微膠囊的熱穩(wěn)定性測(cè)試幾乎均采用熱重分析的方法。

熱重分析是在程序控制溫度下，測(cè)量樣品質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。在不同溫度下連續(xù)測(cè)量樣品的質(zhì)量，記錄質(zhì)量隨溫度變化的關(guān)系，通常用來(lái)研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。在相變微膠囊的性能表征中通常通過(guò)熱重分析判斷其熱穩(wěn)定性，并且通過(guò)熱重曲線臺(tái)階的個(gè)數(shù)判斷微膠囊的組成成分及各組分所占的比例。

制備相變微膠囊的芯材與殼層的耐熱性能往往存在較大的差別，因此差熱分析是一種比較準(zhǔn)確的表征微膠囊化成功與否的手段。

四、相變性能表征

相變溫度、相變焓、過(guò)冷度等是相變微膠囊最重要的性能，對(duì)于這些性能的表征采用差示掃描量熱法。

差示掃描量熱法是在程序控制溫度下，測(cè)量輸給物質(zhì)和參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)，其基礎(chǔ)是樣品與參比物各自獨(dú)立加熱，保持試樣與參比物的溫度相同。DSC曲線以樣品吸熱或放熱的速率為縱坐標(biāo)，以溫度或時(shí)間為橫坐標(biāo)，可以測(cè)定多種熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如比熱容、反應(yīng)熱、轉(zhuǎn)變熱、相圖、反應(yīng)速率、結(jié)晶速率、高聚物結(jié)晶度、樣品純度等。

另外，由于制備微膠囊的囊壁在測(cè)試的溫度范圍內(nèi)通常沒(méi)有相變化的發(fā)生，沒(méi)用能量的儲(chǔ)存與釋放，因此可以通過(guò)純芯材與微膠囊的熱焓值來(lái)計(jì)算所制備的相變微膠囊中芯材所占的比例，以此來(lái)評(píng)價(jià)所制備的微膠囊性能的好壞。

相變特性是相變微膠囊最重要的特性，而目前對(duì)微膠囊相變特性的研究幾乎均采用差示掃描量熱法。

五、粒徑及粒徑分布表征

在粉體加工與應(yīng)用的科學(xué)研究中，其顆粒的大小及粒度分布對(duì)材料的性能起著決定性的作用，是衡量粉體顆粒特性最重要的指標(biāo)之一。相變微膠囊的粒徑及粒徑分布是限制其應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要參數(shù)，在相變微膠囊的研究中，最常用的表征粒徑及粒徑分布的手段是激光粒度衍射分析。

激光粒度分析法是由激光器發(fā)射出一束窄光，經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束后平行的照射到被測(cè)顆粒群上，由顆粒群產(chǎn)生的衍射光經(jīng)聚焦透鏡匯聚后在其焦平面上形成衍射圖。利用位于焦平面上的光電探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)的光電轉(zhuǎn)變，然后將信號(hào)放大、轉(zhuǎn)變、數(shù)據(jù)采集送入到計(jì)算機(jī)中換算出顆粒群的尺寸分布。

對(duì)相變微膠囊顆粒大小及粒度分布的表征除了激光粒度衍射儀之外，另一種常用的手段是借助于掃描電子顯微圖，對(duì)微膠囊的大小進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)。

激光粒度分析的理論模型是建立在顆粒為球形、單分散條件的基礎(chǔ)上的，而實(shí)際上所制備的相變微膠囊常常因?yàn)閳F(tuán)聚的原因而呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀，因此，分析結(jié)果存在一定的誤差。但激光粒度衍射分析法的自動(dòng)化程度高、快速、重復(fù)性好并可在線分析。而通過(guò)掃描電子顯微鏡圖測(cè)量統(tǒng)計(jì)的相變微膠囊的平均粒徑精確度高，但測(cè)量結(jié)果容易受人為因素的影響。

六、其它方面的表征

除了上述對(duì)相變微膠囊常規(guī)性能的表征外，還有學(xué)者對(duì)相變微膠囊的滲透性、比表面積、吸熱系數(shù)、導(dǎo)熱率、強(qiáng)度等進(jìn)行了表征。

張秋香等通過(guò)對(duì)所制備的微膠囊在0-80℃進(jìn)行500的熱循環(huán)后對(duì)其進(jìn)行DSC測(cè)試，通過(guò)相變潛熱的減少來(lái)計(jì)算芯材的滲透率，表征了不同壁材配比的相變微膠囊的滲透性能。

楊保平等以硬脂酸丁酯為芯材，吐溫80、司班80為乳化分散劑，以乙二醇進(jìn)行改性的聚脲樹(shù)脂為殼體，采用界面聚合法制備相變微膠囊。采用氮?dú)馕摳絻x對(duì)相變微膠囊的比表面積進(jìn)行表征，結(jié)果表明所制備的微膠囊具有較大的平均比表面積，致密性較好。

本文對(duì)常用的相變微膠囊的表征手段進(jìn)行了概述，并簡(jiǎn)要介紹了各種表征手段的原理。隨著對(duì)相變微膠囊研究的不斷深入，會(huì)有更多的手段參與到對(duì)其性能的表征，同時(shí)隨著表征手段的不斷發(fā)展，相變微膠囊的各種性能將會(huì)更加全面的被表征。