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双壳层微胶囊的设计合成及在纺织品上的应用研究

双壳层微胶囊的设计合成及在纺织品上的应用研究

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作者：赵炳乾江南大学

学位级别：硕士

植物精油、相变材料等活性物质可以赋予纺织品独特的性能,例如芳香、抗菌、保温隔热等。微胶囊技术因其控释芯材释放、保护活性成分、提高芯材稳定性、方便使用等诸多优势被广泛应用于纺织品领域。然而,单层微胶囊在使用过程受到挤压、... 详细信息

植物精油、相变材料等活性物质可以赋予纺织品独特的性能,例如芳香、抗菌、保温隔热等。微胶囊技术因其控释芯材释放、保护活性成分、提高芯材稳定性、方便使用等诸多优势被广泛应用于纺织品领域。然而,单层微胶囊在使用过程受到挤压、磨损、酸碱、紫外线照射等外界环境的影响,导致外壳破裂受损,芯材泄露。另外,单层微胶囊性能单一,不能很好的满足人们日益丰富的生活需求。因此,为解决上述问题,本文设计合成了双壳层微胶囊,并将其应用于纺织品上。本论文总体研究重点主要是围绕双壳层微胶囊的设计与合成开展。首先选用易改性有机聚合物或无机物如聚氨酯、聚苯乙烯、聚多巴胺、二氧化硅等作为壁材,包覆精油、相变材料等易挥发、易泄露的物质;然后,通过木质素、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)等功能性聚合物再对壁材进行包覆,制备具有双壳层结构的微胶囊。将制备的功能双壳层微胶囊整理到织物上,赋予纺织品香味缓释、抗菌、光热转换、吸湿排汗、保温等性能。本论文的主要研究内容与结论分为以下三个方面:(1)聚苯乙烯/木质素聚氨酯双壳层微胶囊的合成及其抗紫外抗菌应用通过界面聚合和自由基聚合结合一步法制备了一种双壳层木质素基微胶囊(DSLM)。在界面聚合过程中,将生物质材料木质素作为扩链剂引入聚氨酯壳层,赋予微胶囊紫外防护性能。NIPAM作为温度响应单体与苯乙烯和丙烯酸正丁酯共聚形成内壳层,实现芯材柠檬精油的可控释放。微胶囊双壳层结构的设计,提高了微胶囊的使用寿命,延长了精油的留香时间。利用DSLM处理织物得到涂层,使其具有抗菌和防紫外线性能。处理后的织物涂层紫外防护系数(UPF)值可达154,属于防紫外线织物。经双壳微胶囊处理的织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别可达到98.07%和87.26,而且DSLM处理织物涂层的抗菌和精油缓释效果在7天后仍然有效。因此,基于双壳微胶囊的功能化织物涂层可用于窗帘、特殊防护织物和家纺面料等纺织品。(2)聚氨酯/聚多巴胺-纳米银双壳层微胶囊的合成及其光热转换储能应用太阳能是一种清洁的可再生能源,但其间歇性妨碍了利用效率。尽管相变微胶囊已经被用来利用潜热来储存和释放能量,但它们通常依赖于温度差,这限制了它们在吸收和有效利用太阳能热能方面的性能。采用两步法合成了一种新型双壳层相变微胶囊,旨在提高太阳能的转化和分步存储能力。微胶囊外层由聚氨酯(PU)和聚多巴胺/银(PD A/Ag)构成,芯料为十八烷和石蜡复配物。这些微胶囊具有较高的潜热储存能力,相变焓超过150 J/g。合成的微胶囊呈现出明显的双壳结构和规则的球形结构。同时,基于第一层外壳中聚多巴胺和纳米Ag颗粒的协同光热转换效应,微胶囊处理织物表现出优异的光热转换性能,而通过聚氨酯层中引入的聚乙二醇并结合两种不同的相变芯材,微胶囊实现了逐步热量转移。此外,微胶囊处理织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别达到99.99%和99.56%。该微胶囊的双壳层结构设计具有防漏性和形状稳定性,是光热转换和储能应用的理想选择。(3)聚苯乙烯/介孔二氧化硅双壳层微胶囊的合成及其吸湿排汗与储能应用通过两步法设计合成了一种具有介孔结构的双壳层微胶囊。首先利用苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮将正二十二烷和正二十烷的复配相变材料包覆,形成具有热能储存功能的相变单层微胶囊。然后,通过正硅酸四乙酯水解缩聚在微胶囊外壳上沉积,制备出具有介孔结构的二氧化硅层,得到具有双壳结构的微胶囊。最后通过甲基丙烯酸十三氟辛酯以及γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)共聚物对微胶囊外介孔层进行改性,从而赋予微胶囊两亲性,使其能够应用于织物表面。将该微胶囊以涂层方式应用于织物上,得到具有吸湿排汗功能的织物,可以在运动时及时排除皮肤表面的汗液,保持舒适感,同时又能储存人体产生的多余热量,避免体温的下降。该微胶囊处理织物在多种领域中都有潜在的应用,如运动和体育服装、户外服装、医疗应用以及汽车座椅和内饰,从而可以提高人们的舒适度、体温管理和功能性。

关键词：双壳层微胶囊功能织物抗紫外抗菌吸湿排汗储能

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潮固化自修复微胶囊的制备及性能研究

潮固化自修复微胶囊的制备及性能研究

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作者：明耀强华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,自修复材料(包括涂料)是材料领域的研究热点。涂料具备自修复功能可以大幅减少相关维护和保养的开支。然而目前,对自修复功能涂料的研究主要针对微胶囊壳材、芯材选择和制备工艺等方面,而对自修复微胶囊在实际应用中急需解决的... 详细信息

近年来,自修复材料(包括涂料)是材料领域的研究热点。涂料具备自修复功能可以大幅减少相关维护和保养的开支。然而目前,对自修复功能涂料的研究主要针对微胶囊壳材、芯材选择和制备工艺等方面,而对自修复微胶囊在实际应用中急需解决的活性芯材稳定性差,力学性能影响因素及规律不明等直接影响自修复效能的问题关注较少。本研究通过制备具有较高芯材稳定性,壳层力学性能可控的潮固化双壳层自修复微胶囊,并将其分散在环氧树脂中制备自修复防腐涂料,研究涂膜自修复性能和微胶囊的力学性能,研究结果可拓宽并深化微观-宏观领域材料的力学理论。本文以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为芯材,聚脲(PU)和密胺树脂(MF)为壁材,采用界面聚合法和原位聚合法相结合,合成了一种PU/MF双壳层潮固化自修复微胶囊。结合傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和X射线光电子能谱仪(XPS),光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM),马尔文激光粒度分析仪,热重分析仪(TGA)分别表征了微胶囊的化学结构,形貌,粒径分布及其热稳定性,并采用索氏提取法测定了微胶囊的芯材含量,探讨了熟化时间、冰浴、密胺预聚体(P-MF)、胺类扩链剂以及乳化转速等参数对微胶囊芯材含量的影响,确定了制备微胶囊的最佳工艺条件。实验结果表明,PU/MF双壳层成功包覆了IPDI芯材,制备的微胶囊有规则的球形结构,微胶囊壳层分为内外两层(内壳层粗糙,外壳层光滑致密),两层之间没有明显的界限。在冰浴条件下乳化,对比添加P-MF和胺类扩链剂制备的微胶囊,发现在乳化转速为1500rpm,熟化时间为2小时,选取聚醚胺(PEA)D230作为扩链剂,制备的微胶囊粒径分布均匀,热稳定性较好,芯材含量及其形貌最理想。同时,本文借助显微操纵系统(micromanipulation),用探针对最佳工艺条件下制备的微胶囊进行挤压-停留、挤压-释放等操作,测定单个微胶囊的力学性能,并将不同工艺条件下制备的微胶囊挤压至破裂,探讨熟化时间和扩链剂组成等工艺条件对微胶囊力学性能的影响,通过数学模型拟合计算得出不同工艺条件下制备的微胶囊对应的杨氏模量,优化和调控微胶囊的制备工艺。将最佳工艺条件下制备的潮固化自修复微胶囊均匀分散在环氧树脂基材中,制备出潮固化自修复涂层,并探讨了该体系的潮固化自修复机理以及环氧树脂基材中过量的胺类固化剂对潮固化反应速率的影响,还初步表征了涂层的自修复效果。实验结果表明,微胶囊在小形变下(≤8.66%)处在弹性变形阶段,在较大形变下(≥12.67%)处在塑性变形阶段。通过控制微胶囊的粒径,微胶囊的壁厚以及微胶囊壳层的分子结构可以调控微胶囊的力学性能参数,以满足不同基材树脂的需求。环氧树脂自修复涂层中残留的胺类固化剂可以可对潮固化反应形成协同促进效应,涂层上的裂纹在潮湿环境中浸泡48小时后,基本可以完成自愈合。

关键词：自修复涂料潮固化双壳层微胶囊力学性能杨氏模量

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