摘要
随着社会经济的快速发展和人民生活水平的提高，能源和环境问题越来越受到人们的关注。相变材料是一种能在相变过程中以潜热的形式吸收和释放大量能量的功能材料，在环保、工程防护、热管理等领域有巨大的应用前景。但存在成本高、易泄露、过冷等问题。通过皮克林乳化法可得到更环保、生物相容性好、耐环境稳定性高的相变隔热材料。天然多糖高分子（如甲壳素和纤维素）作为皮克林乳剂具有诸多优势，如高乳化稳定性、生物安全性以及可再生性，多糖材料的使用对于解决传统表面活性剂污染大、回收成本高、稳定性差等问题具有重要意义。为了进一步提高隔热保温性能，减少热能耗散是必要的。气凝胶是一种非常轻且高度多孔的隔热材料，是热管理应用的绝佳选择。然而疏水性的气凝胶很难进行湿态混合，再加上气凝胶自身的低密度易漂浮的特性，导致气凝胶的分散效果及实际应用效果差。利用亲水性聚合物溶液的高粘度特性和其与气凝胶之间亲疏水性质的差异，在强外力搅拌的作用下，可以使气凝胶被聚合物分子链包覆，从而实现气凝胶良好分散的同时保留其孔隙结构。 本文旨在以生物多糖纳米材料作为皮克林乳剂乳化石蜡（Paraffin Wax），制备出石蜡相变微胶囊。考察不同的pH值、离子环境、纳米晶悬浮液固含量、乳化温度等因素对乳液稳定性的影响。并进一步将制备的相变微胶囊与分散在PVA溶液中的二氧化硅气凝胶材料复合，制备出的复合材料具有良好的储能、调温性能，可以用于建筑保温材料领域。 主要研究内容及相关结论如下： (1)对甲壳素、纤维素进行纳米化处理，得到稳定分散的氨基化甲壳素纳米晶和羧基化纤维素纳米晶悬浮液。探究了不同pH条件对甲壳素纳米晶乳化性能的影响。在酸性条件下，ChNCs在水相中分散稳定，乳化效果差；中性条件下，ChNCs乳化能力最强，所制备的Pickering乳液最稳定，乳液液滴尺寸最小(5μm)且分布均匀；碱性性条件下，表现出介于酸性和中性之间的乳化能力，所制备的乳液发生部分聚集，尺寸达到几十微米级别。还探究了离子环境对纤维素纳米晶乳化性能的影响。单独用CNCs分散液或者50mM/L FeCl3水溶液乳化的体系，乳化失败导致石蜡分层结晶，乳液流动性丧失。在CNCs分散液中加入50mM/L FeCl3的乳液体系中，乳液呈均匀的乳白色，具有流动性。FeCl3对乳化效果的改善可能是由于Fe3+与CNCs上的羟基之间的配位，使得CNCs的聚集尺寸增大，使其能够覆盖石蜡表面。 (2)将纤维素纳米晶作为PW-Pickering乳液的乳化剂，制备了以纤维素纳米晶为壳的PW微胶囊(PW@CNC)。研究了不同浓度的CNCs对乳液稳定性的影响，当CNC的浓度从0.1到1wt%增加时，乳化液滴的尺寸明显减少，且乳液稳定性有所提高。还研究了温度对界面张力的影响，随着温度的升高，油水界面张力呈下降趋势，40℃下界面张力最终稳定在35mN/m，而60℃下界面张力降低至25mN/m以下。为了验证本工作中采用的乳化方法具有普遍性和实用性，选择了不同熔点的石蜡作为相变材料，采用CNCs进行Pickering乳化封装。通过普适性实验扩大了相变隔热复合材料的温度控制范围，使其具有更广泛的应用价值。 (3)将相变微胶囊与SiO2气凝胶作为分散相分散到PVA溶液中，通过冷冻干燥的工艺制备了兼具保温和储能功能的保温材料（PW@CNC/PVA@SiO2）。所制备复合材料的热扩散系数仅为0.18mm2/s，远低于市场上常见的保温材料。该材料还具有良好的温度调节性能，可作为建筑保温材料使用。将相变材料与气凝胶材料相结合制备双层保温材料也是一项比较新颖的工作，对保温材料应用领域的发展起到了重要作用。 基于上述研究，本工作采用皮克林乳化法成功制备了石蜡相变微胶囊，并实现了将相变材料与气凝胶材料相结合，得到了一种兼具保温和储能效应的功能复合材料。本工作推动了皮克林乳液乳化性质及其高附加值应用的研究，拓展了皮克林乳液及相变材料领域的应用范围。
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