微射流技術制備相變材料微膠囊

微射流技術是一種非常高效、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。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）用一層連續的薄膜（稱為壁材）包裹起來，形成微型容器的技術。

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，壁材能將其限制在內部，防止其流動和污染環境。

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. 提高穩定性：保護芯材免受外界環境（如氧氣、水分）的影響。

4. 便于加工：固態的微膠囊可以更方便地摻入到纖維、涂料、塑料等基體中。

二、 微射流技術簡介

微射流技術是一種基于高壓流體動力學的顆粒處理技術。其核心設備是微射流均質機。

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

1. 高剪切力：流體內部速度梯度極大，產生強大的剪切力。

2. 空穴效應：壓力急劇變化導致流體中微氣泡瞬間形成和潰滅，產生強烈的沖擊波。

3. 碰撞效應：在Y型腔中，兩股高速射流相互碰撞，產生巨大的能量。

這些效應的組合，能夠將液滴破碎成微米甚至納米級別，并且使得混合和反應極其高效和均一。

三、 微射流法制備相變材料微膠囊的工藝流程

微射流技術通常不單獨完成整個微膠囊化過程，而是作為乳化和縮聚步驟中的關鍵設備，與化學聚合過程相結合。一個典型的工藝流程如下：

步驟1：配方設計

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，用于復凝聚法。

4. 聚氨酯、聚苯乙烯等合成聚合物。

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

步驟2：預乳化

將芯材（相變材料）、壁材單體（或預聚體）、乳化劑和水混合，通過高速剪切機或普通均質機進行初步乳化，形成一個粗糙的、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均勻的進料。

步驟3：微射流乳化（核心步驟）

將預乳化后的乳液通過微射流均質機在設定的壓力下（例如 10,000 - 30,000 psi）進行循環處理。

作用：

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

2. 均質化：獲得單分散性較好的、穩定的納米/亞微米乳液。

3. 界面反應促進：劇烈的混合和微混合效應，使得水相中的壁材單體與油-水界面充分接觸，為后續的界面聚合或原位聚合打下堅實基礎。

這一步是獲得粒徑均一、高性能微膠囊的關鍵。

步驟4：聚合反應

將經過微射流處理后的精細乳液轉移到反應釜中，在控制的溫度、pH值和攪拌速度下進行聚合反應。

對于原位聚合：通過加熱或調節pH，引發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單體到水相中，兩種單體在芯材液滴界面發生聚合反應。

步驟5：后處理

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

四、 微射流技術的優勢

與傳統方法（如機械攪拌、超聲乳化）相比，微射流技術在制備微膠囊時具有顯著優勢：

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

2. 包封效率高：形成的乳液液滴細小且穩定，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、堅固，有效防止芯材泄漏，并提高熱循環穩定性。

4. 過程重現性好：作為機械過程，微射流的參數（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，且從實驗室到工業生產的放大效應較小。

五、 應用領域

制備出的高性能相變材料微膠囊廣泛應用于：

1. 建筑節能：摻入石膏板、混凝土或涂料中，用于溫度調節。

2. 紡織服裝：開發調溫智能紡織品（Outlast®技術是著名例子）。

3. 電子設備熱管理：作為導熱復合材料的填料，用于吸收芯片產生的脈沖熱量。

4. 食品和藥品冷鏈運輸：作為保溫材料維持溫度穩定。

5. 太陽能儲熱系統：儲存熱能，在需要時釋放。

總結

微射流技術通過其獨特的高壓流體動力學原理，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。它不僅是實現微膠囊粒徑均一化的“利器"，更是提升微膠囊包封率、密封性和熱穩定性的關鍵工藝。隨著對微膠囊性能要求的不斷提高，微射流技術在該領域的應用將越來越廣泛和深入。