微射流技术制备相变材料微胶囊

微射流技术是一种非常高效、可控的微胶囊化方法，特别适合于制备粒径均一、性能稳定的微胶囊。

一、 什么是相变材料微胶囊？

相变材料：指在物相变化（如固-液、液-气）过程中，能够吸收或释放大量潜热的物质。在微胶囊中通常使用固-液相变的材料，如石蜡、脂肪酸、水合盐等。

微胶囊：一种将微小的液滴或固体颗粒（称为芯材）用一层连续的薄膜（称为壁材）包裹起来，形成微型容器的技术。

相变材料微胶囊：就是将相变材料作为芯材包裹起来。这样做的好处是：

1. 防止泄漏：在相变材料熔化时，壁材能将其限制在内部，防止其流动和污染环境。

2. 增加传热面积：微小的胶囊提供了巨大的比表面积，提高了热交换效率。

3. 提高稳定性：保护芯材免受外界环境（如氧气、水分）的影响。

4. 便于加工：固态的微胶囊可以更方便地掺入到纤维、涂料、塑料等基体中。

二、 微射流技术简介

微射流技术是一种基于高压流体动力学的颗粒处理技术。其核心设备是微射流均质机。

工作原理：待处理的流体在高压下（通常可达40,000 psi或~2,750 bar）被泵入一个特制的“相互作用腔（金刚石交互容腔）"。在腔内，流体通过极其微小的通道（如Z型或Y型），形成高速射流。这种高速射流会产生三种主要效应：

1. 高剪切力：流体内部速度梯度极大，产生强大的剪切力。

2. 空穴效应：压力急剧变化导致流体中微气泡瞬间形成和溃灭，产生强烈的冲击波。

3. 碰撞效应：在Y型腔中，两股高速射流相互碰撞，产生巨大的能量。

这些效应的组合，能够将液滴破碎成微米甚至纳米级别，并且使得混合和反应极其高效和均一。

三、 微射流法制备相变材料微胶囊的工艺流程

微射流技术通常不单独完成整个微胶囊化过程，而是作为乳化和缩聚步骤中的关键设备，与化学聚合过程相结合。一个典型的工艺流程如下：

步骤1：配方设计

芯材：选择所需的相变材料，如正十八烷、正二十烷、石蜡等。

壁材：选择能够形成稳定薄膜的高分子材料。常用的有：

1. 三聚氰胺-甲醛树脂：硬度高、致密性好，是常用的壁材之一。

2. 脲醛树脂：成本较低。

3. 阿拉伯树胶/明胶：天然壁材，用于复凝聚法。

4. 聚氨酯、聚苯乙烯等合成聚合物。

5. 乳化剂：用于稳定初步乳化的液滴，防止其 coalescence（聚并）。

步骤2：预乳化

将芯材（相变材料）、壁材单体（或预聚体）、乳化剂和水混合，通过高速剪切机或普通均质机进行初步乳化，形成一个粗糙的、粒径分布较宽的乳液（O/W型乳液）。这一步的目的是为下一步的微射流处理提供一个均匀的进料。

步骤3：微射流乳化（核心步骤）

将预乳化后的乳液通过微射流均质机在设定的压力下（例如 10,000 - 30,000 psi）进行循环处理。

作用：

1. 高效破碎：微射流的剪切力和空穴效应将大的相变材料液滴破碎成尺寸均一、细小的微液滴。

2. 均质化：获得单分散性较好的、稳定的纳米/亚微米乳液。

3. 界面反应促进：剧烈的混合和微混合效应，使得水相中的壁材单体与油-水界面充分接触，为后续的界面聚合或原位聚合打下坚实基础。

这一步是获得粒径均一、高性能微胶囊的关键。

步骤4：聚合反应

将经过微射流处理后的精细乳液转移到反应釜中，在控制的温度、pH值和搅拌速度下进行聚合反应。

对于原位聚合：通过加热或调节pH，引发壁材单体在芯材液滴表面聚合，形成完整的壁壳。

对于界面聚合：通常需要加入第二种反应单体到水相中，两种单体在芯材液滴界面发生聚合反应。

步骤5：后处理

反应完成后，通过过滤、离心、洗涤和干燥（通常是冷冻干燥以保持结构）得到最终的相变材料微胶囊粉末。

四、 微射流技术的优势

与传统方法（如机械搅拌、超声乳化）相比，微射流技术在制备微胶囊时具有显著优势：

1. 粒径均一，可控性强：能够制备出单分散性非常好的微胶囊，粒径分布极窄。通过调节操作压力和处理次数，可以精确控制最终微胶囊的尺寸。

2. 包封效率高：形成的乳液液滴细小且稳定，为壁材的均匀沉积提供了理想的模板，从而提高了芯材的包封率。

3. 壁材致密，性能稳定：剧烈的混合使壁材单体在界面分布更均匀，形成的壁壳更致密、坚固，有效防止芯材泄漏，并提高热循环稳定性。

4. 过程重现性好：作为机械过程，微射流的参数（压力、流量）易于精确控制，保证了批次间的高度一致性。

5. 效率高，易于放大：处理速度快，且从实验室到工业生产的放大效应较小。

五、 应用领域

制备出的高性能相变材料微胶囊广泛应用于：

1. 建筑节能：掺入石膏板、混凝土或涂料中，用于温度调节。

2. 纺织服装：开发调温智能纺织品（Outlast®技术是著名例子）。

3. 电子设备热管理：作为导热复合材料的填料，用于吸收芯片产生的脉冲热量。

4. 食品和药品冷链运输：作为保温材料维持温度稳定。

5. 太阳能储热系统：储存热能，在需要时释放。

总结

微射流技术通过其独特的高压流体动力学原理，为制备高性能相变材料微胶囊提供了一种非凡的乳化手段。它不仅是实现微胶囊粒径均一化的“利器"，更是提升微胶囊包封率、密封性和热稳定性的关键工艺。随着对微胶囊性能要求的不断提高，微射流技术在该领域的应用将越来越广泛和深入。