核-殼型物理降溫材料的制備及應(yīng)用研究

田梅娟

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

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核-殼型物理降溫材料的制備及應(yīng)用研究

田梅娟

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

摘要：采用高速攪拌法，以磷酸二氫銨和氯化鈉混合水溶液為芯材、疏水性氣相二氧化硅粉末為壁材，制備出一種新型核-殼型材料，并測(cè)定其基本性能；將所制備的核-殼型材料作為物理降溫材料使用，研究其在低溫下的性能。結(jié)果表明，該核-殼型物理降溫材料的質(zhì)量越大降溫效果越好，需要冷凍時(shí)間越長(zhǎng)，降溫效果與材料粒徑大小無關(guān)。該降溫材料冷凍后仍為蓬松的超細(xì)干粉，具有良好的流動(dòng)性、分散性，恢復(fù)至室溫時(shí)形貌和結(jié)構(gòu)均未發(fā)生明顯變化，可以循環(huán)使用。

關(guān)鍵詞：二氧化硅；核-殼型材料；物理降溫；制備

物理降溫材料可用于醫(yī)療保健(如降溫退燒、止血、止痛等)、食品短期保鮮、藥品及生鮮品的低溫運(yùn)輸或攜運(yùn)等方面，主要用于醫(yī)療保健[1-2]。

近年來，核-殼型材料因良好的流動(dòng)性、分散性及較大的比表面積[3]而備受學(xué)者關(guān)注。作者采用高速攪拌法，以磷酸二氫銨和氯化鈉混合水溶液為芯材、疏水性氣相二氧化硅粉末為壁材，制備出一種新型核-殼型材料，并測(cè)試其基本性能。將所制備的核-殼型材料應(yīng)用于物理降溫材料，研究其在低溫下的性能，擬為降溫材料的深入研究奠定基礎(chǔ)[4-6]。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試劑與儀器

磷酸二氫銨，分析純，天津化學(xué)試劑三廠；氯化鈉，分析純，天津紅巖化學(xué)試劑廠；疏水二氧化硅(比表面積210m2·g-1)，萬載輝明化工有限公司；去離子水。

JYL-D051型九陽豆?jié){機(jī)，九陽股份有限公司；篩網(wǎng)，浙江上虞大享橋化驗(yàn)儀器廠；101-1AS型鼓風(fēng)干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；XSP30型光學(xué)顯微鏡，江西鳳凰光學(xué)儀器有限公司；HitachiS2700型掃描電子顯微鏡，深圳博視達(dá)光學(xué)儀器有限公司；DMC-FX3型數(shù)碼相機(jī)，松下電器；BCD-216SC型冰箱，海爾集團(tuán)。

1.2方法

1.2.1核-殼型材料的制備

首先，配制磷酸二氫銨和氯化鈉混合水溶液，其中磷酸二氫銨溶液濃度為12.5%，氯化鈉溶液濃度為10%。

再將二氧化硅與磷酸二氫銨和氯化鈉混合水溶液按固液比(g∶mL，下同)分別為1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18加入豆?jié){機(jī)內(nèi)，控制轉(zhuǎn)速攪拌30s，得到核-殼型材料。

1.2.2核-殼型材料的篩分

將制備好的核-殼型材料用5種規(guī)格的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分并觀察形貌。

1.2.3核-殼型材料在低溫下的體積與形貌變化

量取固液比分別為1∶10、1∶14、1∶18的核-殼型材料樣品各10mL，放在干燥、潔凈的試管中，置于-18 ℃冰箱中恒溫冷凍30min后取出，常溫下放置30min，觀察其體積變化，采用顯微鏡觀察固液比為1∶14的核-殼型材料在低溫下的形貌變化。

1.2.4模擬物理降溫袋性能測(cè)試

分別稱取50g、100g、200g、300g、400g、500g粒徑為100～300μm的核-殼型材料置于6個(gè)編號(hào)的密封袋中，在-18 ℃冰箱中放置不同時(shí)間(0.5h、1h、24h、96h)后取出，每隔3min測(cè)量一次溫度，待恢復(fù)到室溫后在顯微鏡下觀察其形貌。

2結(jié)果與討論

2.1核-殼型材料在不同粒徑區(qū)間的顯微照片(圖1)

a～e，粒徑(μm)：<100、100～200、200～300、300～400、>400

由圖1可知，粒徑<100 μm的核-殼型材料中夾雜著未包覆的二氧化硅粒子，在篩分過程中粉塵較大；當(dāng)粒徑>300 μm時(shí)，在篩分過程中出現(xiàn)多余液體及大塊的黏稠物(粘連而成)；粒徑為100～300 μm時(shí)，核-殼型材料的顆粒大小均一，表現(xiàn)出較好的流動(dòng)性、分散性。

2.2核-殼型材料在低溫下的體積變化(圖2)

圖2　核-殼型材料在低溫下的體積變化

由圖2可看出，在冷凍前-冷凍-恢復(fù)常溫的過程中，純?nèi)芤后w積先增大且出現(xiàn)固體結(jié)冰現(xiàn)象，恢復(fù)至常溫后，再次發(fā)生相變，體積縮小至冷凍前；而核-殼型材料的體積未增大也未結(jié)冰。

2.3核-殼型材料在低溫下的形貌變化(圖3)

由圖3可看出，冷凍過程中，核-殼型材料結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，體積未增大也未結(jié)冰，依然與冷凍前的粉末相似。這是因?yàn)椋?殼型材料顆粒表面二氧化硅顆粒的不規(guī)則排列致使包覆層充滿空隙，并且核-殼型材料顆粒之間是不連續(xù)的且充滿空隙，因此，在冷凍過程中體積并未像純?nèi)芤耗菢用黠@增大，同樣在恢復(fù)至常溫的過程中，體積恢復(fù)后核-殼型材料仍能保持完整的結(jié)構(gòu)而不被撐破。

圖3核-殼型材料(固液比1∶14)在低溫下的形貌變化

Fig.3Morphology variation of core-shell type materials(solid-liquid ratio 1∶14) at low temperature

2.4模擬物理降溫袋性能測(cè)試(圖4、圖5、表1)

圖4　不同質(zhì)量核-殼型材料冷凍0.5 h(a)、1 h(b)、24 h(c)、96 h(d)取出后的溫度變化

由圖4可看出，隨著模擬物理降溫袋質(zhì)量的增加，其溫度的變化幅度趨緩，這是因?yàn)?，質(zhì)量增加導(dǎo)致降溫放熱需要的時(shí)間較長(zhǎng)；不同質(zhì)量(200 g、300 g、400 g、500 g)的核-殼型材料于冰箱中放置0.5～1 h左右取出，都不能滿足其熱交換平衡的時(shí)間，所以核-殼型材料取出后溫度變化不大，基本和室溫一樣；隨著冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)，物理降溫袋的溫度變化幅度趨緩，而且質(zhì)量越大，該物理降溫袋吸熱、放熱速度就越慢；冷凍24 h和96 h取出后的溫度變化基本一致，說明24 h時(shí)已達(dá)到熱交換平衡狀態(tài)，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，該物理降溫袋的溫度和形貌基本沒有變化。這是因?yàn)椋?殼型材料顆粒表面二氧化硅顆粒的不規(guī)則排列致使包覆層充滿空隙，并且核-殼型材料顆粒之間也充滿空隙且是不連續(xù)的，所以在冷凍過程中和冷凍之后，核-殼型材料仍能保持原先的結(jié)構(gòu)而不改變。

a～e，冷凍時(shí)間(h)：0、0.5、1、24、96

圖5核-殼型材料冷凍不同時(shí)間后的顯微照片

Fig.5Microphotographs of core-shell type materials after freezing different time

表1不同質(zhì)量核-殼型材料冷凍不同時(shí)間后恢復(fù)到室溫(23 ℃)的時(shí)間

Tab.1Time to room temperature(23 ℃) for core-shell type

material of different mass cooled different time

由圖5可看出，在冰箱中冷凍不同時(shí)間后，核-殼型材料的形貌基本不變，說明冷凍時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)其沒有影響，可以循環(huán)使用。

3結(jié)論

通過高速攪拌法，以磷酸二氫銨和氯化鈉混合水溶液為芯材、疏水性氣相二氧化硅粉末為壁材，制備了核-殼型結(jié)構(gòu)材料，該材料在冷凍前后體積和形貌均未發(fā)生明顯變化，說明低溫對(duì)該核-殼型材料的結(jié)構(gòu)影響不大。通過模擬物理降溫袋性能測(cè)試可知，該核-殼型物理降溫材料質(zhì)量越大，降溫效果越好，需要的冷凍時(shí)間也越長(zhǎng)。該降溫材料冷凍后仍為蓬松的超細(xì)干粉，具有良好的流動(dòng)性和分散性，恢復(fù)至室溫時(shí)形貌和結(jié)構(gòu)均未發(fā)生明顯變化，可以循環(huán)使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊忠強(qiáng),劉鳳岐.無機(jī)有機(jī)核/殼材料研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào),2004,67(3):163-169.

[2]田春貴.核/殼結(jié)構(gòu)的納米粒子的制備與表征[D].吉林:東北師范大學(xué),2004.

[3]DAIKY M,KHAMIS M,MANASSAR A.Selective adsorption of chromium in industrial wastewater using low-cost abundantly available adsorbents[J].Advances in Environmental Research,2002,6(4):533-540.

[4]劉威,鐘偉,都有為.核/殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米材料研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2007,21(3):59-62.

[5]王富祥,蓋國(guó)勝,吳紹軍.機(jī)械化學(xué)法制備超細(xì)復(fù)合粒子現(xiàn)狀[J].有色礦冶,2005,21(S1):52-54.

[6]朱雪燕,陳明清,劉曉亞，等.核殼結(jié)構(gòu)微球的制備方法與展望[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2004,16(3):309-313.

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《化學(xué)與生物工程》編輯部

Preparation and Application of Core-Shell Type Physical Cooling Material

TIAN Mei-juan

(KeyLaboratoryofPhytochemistryofShaanxiProvince,SchoolofChemistryandChemicalEngineering,BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji721013,China)

Abstract：Using mixed water solution of NH4H2PO4 and NaCl as a core and hydrophobic fumed silica as a shell,a novel core-shell type material was prepared by high speed stirring method and its basic performance was tested.Then the prepared material was used as physical cooling material and its performance under low temperature was also tested.Results showed that,the greater quality of the core-shell type physical cooling material,the better the cooling effect with longer freezing time,and the cooling effect of the material was independent of the particle size.The cooling material was continued having good dispersity and flow ability after freezing with dry powder form.When returning to room temperature,the morphology and structure were not changed significantly.This material could be recycled.

Keywords：silica;core-shell type material;physical cooling;preparation

中圖分類號(hào)：TQ 584+.2TB 383

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5425(2016)02-0060-04

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.02.013

作者簡(jiǎn)介：田梅娟(1985-)，女，陜西寶雞人，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：材料化學(xué)，E-mail：tianmeijuan549@126.com。

收稿日期：2015-11-05

基金項(xiàng)目：寶雞文理學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目資助課題(ZK16126)