核-壳型物理降温材料的制备及应用研究

田梅娟

(宝鸡文理学院化学与化工学院 陕西省植物化学重点实验室，陕西 宝鸡 721013)



核-壳型物理降温材料的制备及应用研究

田梅娟

(宝鸡文理学院化学与化工学院 陕西省植物化学重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

摘要：采用高速搅拌法，以磷酸二氢铵和氯化钠混合水溶液为芯材、疏水性气相二氧化硅粉末为壁材，制备出一种新型核-壳型材料，并测定其基本性能；将所制备的核-壳型材料作为物理降温材料使用，研究其在低温下的性能。结果表明，该核-壳型物理降温材料的质量越大降温效果越好，需要冷冻时间越长，降温效果与材料粒径大小无关。该降温材料冷冻后仍为蓬松的超细干粉，具有良好的流动性、分散性，恢复至室温时形貌和结构均未发生明显变化，可以循环使用。

关键词：二氧化硅；核-壳型材料；物理降温；制备

物理降温材料可用于医疗保健(如降温退烧、止血、止痛等)、食品短期保鲜、药品及生鲜品的低温运输或携运等方面，主要用于医疗保健[1-2]。

近年来，核-壳型材料因良好的流动性、分散性及较大的比表面积[3]而备受学者关注。作者采用高速搅拌法，以磷酸二氢铵和氯化钠混合水溶液为芯材、疏水性气相二氧化硅粉末为壁材，制备出一种新型核-壳型材料，并测试其基本性能。将所制备的核-壳型材料应用于物理降温材料，研究其在低温下的性能，拟为降温材料的深入研究奠定基础[4-6]。

1实验

1.1试剂与仪器

磷酸二氢铵，分析纯，天津化学试剂三厂；氯化钠，分析纯，天津红岩化学试剂厂；疏水二氧化硅(比表面积210m2·g-1)，万载辉明化工有限公司；去离子水。

JYL-D051型九阳豆浆机，九阳股份有限公司；筛网，浙江上虞大享桥化验仪器厂；101-1AS型鼓风干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司；XSP30型光学显微镜，江西凤凰光学仪器有限公司；HitachiS2700型扫描电子显微镜，深圳博视达光学仪器有限公司；DMC-FX3型数码相机，松下电器；BCD-216SC型冰箱，海尔集团。

1.2方法

1.2.1核-壳型材料的制备

首先，配制磷酸二氢铵和氯化钠混合水溶液，其中磷酸二氢铵溶液浓度为12.5%，氯化钠溶液浓度为10%。

再将二氧化硅与磷酸二氢铵和氯化钠混合水溶液按固液比(g∶mL，下同)分别为1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18加入豆浆机内，控制转速搅拌30s，得到核-壳型材料。

1.2.2核-壳型材料的筛分

将制备好的核-壳型材料用5种规格的筛网进行筛分并观察形貌。

1.2.3核-壳型材料在低温下的体积与形貌变化

量取固液比分别为1∶10、1∶14、1∶18的核-壳型材料样品各10mL，放在干燥、洁净的试管中，置于-18 ℃冰箱中恒温冷冻30min后取出，常温下放置30min，观察其体积变化，采用显微镜观察固液比为1∶14的核-壳型材料在低温下的形貌变化。

1.2.4模拟物理降温袋性能测试

分别称取50g、100g、200g、300g、400g、500g粒径为100～300μm的核-壳型材料置于6个编号的密封袋中，在-18 ℃冰箱中放置不同时间(0.5h、1h、24h、96h)后取出，每隔3min测量一次温度，待恢复到室温后在显微镜下观察其形貌。

2结果与讨论

2.1核-壳型材料在不同粒径区间的显微照片(图1)

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

由图1可知，粒径<100 μm的核-壳型材料中夹杂着未包覆的二氧化硅粒子，在筛分过程中粉尘较大；当粒径>300 μm时，在筛分过程中出现多余液体及大块的黏稠物(粘连而成)；粒径为100～300 μm时，核-壳型材料的颗粒大小均一，表现出较好的流动性、分散性。

2.2核-壳型材料在低温下的体积变化(图2)

图2　核-壳型材料在低温下的体积变化

由图2可看出，在冷冻前-冷冻-恢复常温的过程中，纯溶液体积先增大且出现固体结冰现象，恢复至常温后，再次发生相变，体积缩小至冷冻前；而核-壳型材料的体积未增大也未结冰。

2.3核-壳型材料在低温下的形貌变化(图3)

由图3可看出，冷冻过程中，核-壳型材料结构未发生明显变化，体积未增大也未结冰，依然与冷冻前的粉末相似。这是因为，核-壳型材料颗粒表面二氧化硅颗粒的不规则排列致使包覆层充满空隙，并且核-壳型材料颗粒之间是不连续的且充满空隙，因此，在冷冻过程中体积并未像纯溶液那样明显增大，同样在恢复至常温的过程中，体积恢复后核-壳型材料仍能保持完整的结构而不被撑破。

图3核-壳型材料(固液比1∶14)在低温下的形貌变化

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

2.4模拟物理降温袋性能测试(图4、图5、表1)

图4　不同质量核-壳型材料冷冻0.5 h(a)、1 h(b)、24 h(c)、96 h(d)取出后的温度变化

由图4可看出，随着模拟物理降温袋质量的增加，其温度的变化幅度趋缓，这是因为，质量增加导致降温放热需要的时间较长；不同质量(200 g、300 g、400 g、500 g)的核-壳型材料于冰箱中放置0.5～1 h左右取出，都不能满足其热交换平衡的时间，所以核-壳型材料取出后温度变化不大，基本和室温一样；随着冷冻时间的延长，物理降温袋的温度变化幅度趋缓，而且质量越大，该物理降温袋吸热、放热速度就越慢；冷冻24 h和96 h取出后的温度变化基本一致，说明24 h时已达到热交换平衡状态，随着放置时间的延长，该物理降温袋的温度和形貌基本没有变化。这是因为，核-壳型材料颗粒表面二氧化硅颗粒的不规则排列致使包覆层充满空隙，并且核-壳型材料颗粒之间也充满空隙且是不连续的，所以在冷冻过程中和冷冻之后，核-壳型材料仍能保持原先的结构而不改变。

a～e，冷冻时间(h)：0、0.5、1、24、96

图5核-壳型材料冷冻不同时间后的显微照片

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

表1不同质量核-壳型材料冷冻不同时间后恢复到室温(23 ℃)的时间

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

material of different mass cooled different time

由图5可看出，在冰箱中冷冻不同时间后，核-壳型材料的形貌基本不变，说明冷冻时间的长短对其没有影响，可以循环使用。

3结论

通过高速搅拌法，以磷酸二氢铵和氯化钠混合水溶液为芯材、疏水性气相二氧化硅粉末为壁材，制备了核-壳型结构材料，该材料在冷冻前后体积和形貌均未发生明显变化，说明低温对该核-壳型材料的结构影响不大。通过模拟物理降温袋性能测试可知，该核-壳型物理降温材料质量越大，降温效果越好，需要的冷冻时间也越长。该降温材料冷冻后仍为蓬松的超细干粉，具有良好的流动性和分散性，恢复至室温时形貌和结构均未发生明显变化，可以循环使用。

参考文献：

[1]杨忠强,刘凤岐.无机有机核/壳材料研究进展[J].化学通报,2004,67(3):163-169.

[2]田春贵.核/壳结构的纳米粒子的制备与表征[D].吉林:东北师范大学,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]刘威,钟伟,都有为.核/壳结构复合纳米材料研究进展[J].材料导报,2007,21(3):59-62.

[5]王富祥,盖国胜,吴绍军.机械化学法制备超细复合粒子现状[J].有色矿冶,2005,21(S1):52-54.

[6]朱雪燕,陈明清,刘晓亚，等.核壳结构微球的制备方法与展望[J].化学研究与应用,2004,16(3):309-313.

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《化学与生物工程》编辑部

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

中图分类号：TQ 584+.2TB 383

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2016)02-0060-04

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.02.013

作者简介：田梅娟(1985-)，女，陕西宝鸡人，助理实验师，研究方向：材料化学，E-mail：tianmeijuan549@126.com。

收稿日期：2015-11-05

基金项目：宝鸡文理学院校级科研项目资助课题(ZK16126)