双重致孔制备多孔胶囊及其负载相变材料

Building energy consumption accounts for about one-third of the total energy consumption of the social. To use phase change material can significantly reduce the operating power consumption of the building. However, polymer-coated organic phase change material faces the problems of phase change material leaking, phase transition hysteresis, and poor thermal conductivity. In this project, polymer capsules with micron pore size wall and millimeter cavity are prepared via dual pore formation process (non-solvent induced phase separation and foaming pore formation). The polymer capsules can hold enough organic phase change matter to inhibit super cooling problem in the millimeter cavity. And the microporous wall of the capsules can prevent the leakage of phase change matters as well as improve the thermal conductivity with surface modification of dense silica layers or MOF. The aim of this project is to clarify the relationship between the formation of microporous wall via non-solvent induced phase separation and the formation of internal cavity via bubble nucleation and growth, and thus to explore the mechanism of capsules preparation via dual pore formation and to reveal the laws of loading organic phase change matters in polymer capsules carrier. The results of this project are contributed for the preparation and application of porous polymer materials and greatly advancing the research and development of energy storage materials. It is expected to obtain the original independent intellectual property rights in China in this research field.

建筑耗能占社会总能耗的三分之一左右，相变材料的使用可以大幅度减少建筑物运行能耗，然而高分子包覆有机相变储能材料长期存在相变物质泄漏、相变滞后及导热性差等问题。本项目采用溶液致相分离成孔和发泡致孔的双重致孔制囊方法，制备具有微米级孔径的囊壁和毫米级大空腔的高分子胶囊，经表面氧化硅或金属有机框架（MOF）等修饰形成致密外膜，进行负载有机相变物质的研究，不仅为有机相变材料提供了毫米级抑制相变滞后空间，而且具有防止相变液体渗透，同时提高导热性能的特征。阐明溶液致相分离形成囊壁微孔过程和气泡发生、融合形成内部空腔的过程之间的关系，探索双重致孔制囊的机制，揭示高分子胶囊载体负载和封装有机相变物质的规律，为多孔结构高分子材料的制备和结构研究做出贡献，对储能材料制备及应用开发产生极大地推进，并可望获得我国原始的独立自主知识产权。

项目研究了高分子种类、溶剂种类、高分子浓度、凝固浴的温度和pH、不同发泡剂以及发泡剂浓度对高分子溶液相分离的影响。基于浸没式相转化理论，制备出不同结构高分子胶囊，探讨高分子胶囊的成形机理。通过改变成囊高分子溶液及凝固浴中的加料顺序探讨了不同的加料顺序对胶囊形态结构的影响；通过改变成囊高分子溶液中发泡剂的量研究了不同发泡剂的添加量对胶囊的成型过程、形态结构以及胶囊孔隙率的影响；探索了在成囊发泡过程中加入催化剂的量和种类与胶囊成型后的形态的关系，并确定了最佳催化剂量的添加；通过研究胶囊相分离时的扩散过程，探索了胶囊发泡剂对相分离时溶剂的扩散速率的影响。在适当控制温度、催化剂和发泡剂浓度的情况下，利用分相-发泡理论成功制备出了尺寸为 2-3 mm 的 PVC、 PSf 和 PVDF中空胶囊。利用真空吸附的方法，将熔融的石蜡吸附到多孔的 PVC 中空胶囊内腔中，再利用正硅酸乙酯的水解缩聚反应、均苯三甲酰氯与哌嗪的界面聚合反应和盐酸多巴胺的氧化自聚合反应，分别制备出了包覆不同物质及层数的相变胶囊：SiO2胶囊、 SiO2/PDA/SiO2 胶囊、 PA 胶囊、 PA/PDA/SiO2 胶囊，通过 SEM 观察到，包覆之后的胶囊表面形成了一层保护层，并利用 EDS 对胶囊表面的元素分布进行了扫描，结果表明胶囊表面的元素含量与预期结果一致，通过 DSC 和 TG 分析手段对石蜡、 PVC 中空胶囊、 SiO2 胶囊、 SiO2/PDA/SiO2 胶囊、 PA 胶囊和PA/PDA/SiO2 胶囊的热性能与热稳定性进行了表征，结果显示，制备的四种相变胶囊的相变温度适宜（ 55℃左右），相变焓较大，四组数值均在 120 J/g 左右，可以作为相变应用。进一步利用双重致孔原理，使用单孔喷丝头通过传统NIPS结合气体生成制备具有多孔和中空结构的聚砜中空纤维膜。初步探讨了该特殊结构中空纤维膜在染料脱盐中的应用。