PCM材料及微膠囊產品技術介紹

01

背景介紹

可穿戴傳感器、超級電容器和服裝等各種應用對可穿戴熱管理系統的需求日益增長,這也加速瞭柔性多功能相變材料(PCMs)的發展。特別是基於調溫復合材料的有機PCMs(例如聚乙二醇(PEG)、石蠟(PW)和脂肪胺),由於其具有高儲熱密度、優異的化學和熱穩定性、無毒、環境友好、在人體可穿戴熱管理過程中近似恒溫相變等優點而受到廣泛關註。然而,這些傳統的相變復合材料存在固有的缺點,例如液體泄漏、機械剛性強和水蒸氣滲透性差,這些缺點嚴重阻礙瞭它們在可穿戴熱管理中的實際應用。到目前為止,針對這些問題,研究者們已經為溫度調節復合材料開發瞭兩個關鍵策略。一種是通過化學交聯合成出本質柔性的PEG薄膜,這種薄膜具有可調節的相變溫度和熱函、優異的柔性和形狀穩定性。然而,這種柔性相變薄膜的水蒸氣滲透性差,熱能存儲密度低。另一種策略是制造柔性相變纖維,主要是通過靜電紡絲技術將相變材料直接封裝在纖維中。例如,Wan等人制備瞭具有不同相變溫度的聚丙烯腈/棕櫚酸異丙酯鞘/芯型納米纖維。同樣,Lu等人開發瞭以PW為芯、聚丙烯腈為鞘的芯鞘結構復合膜。然而,這些通過一步靜電紡絲工藝的柔性相變織物也表現出小於 150 Jg

的低焓值。因此,為進一步滿足實際需求,迫切需要設計制造出具有耐磨性、柔韌性、出色的水蒸氣滲透性和防滲漏能力的高焓相變織物。

02

成果掠影

相變材料在可穿戴熱管理領域具有重要地位,由於固-液相變材料自身的液相泄漏問題、固有的剛性、水蒸氣滲透性差等問題,其實際應用仍需進一步研究和探索。中國科學院大連化學物理研究所史全研究員、吳忠帥研究員和澳大利亞迪肯大學陳英教授課題組合作報道瞭一種通用制備策略,通過濕法紡絲制備石墨烯-氮化硼(GB)無紡佈載體;隨後通過真空浸漬烷烴(二十烷和十八烷),實現瞭高焓值柔性相變無紡佈(GB-PCN)的制備。測試結果表明,GB-PCN表現出206.0 Jg

的較高焓值,優異的熱穩定性和形狀穩定性,1000次循環後焓值保持97.6%的超高熱循環能力,以及較高的水蒸氣透過性,其性能優於目前報道的相變薄膜和纖維。此外,研究人員構建瞭基於GB-PCN的可穿戴熱管理系統,用於人體織物和口罩熱管理,該系統可以長時間將人體保持在舒適的溫度范圍內。因此,該GB-PCN在實際場景中的人體可穿戴熱管理方面具有巨大潛力。研究成果以“A Thermoregulatory Flexible Phase Change Nonwoven for All-Season High-Efficiency Wearable Thermal Management”為題發表於《Nano-Micro Letters》。

03

圖文導讀

圖1.GB-PCN的制備工藝和結構表征示意圖。(a) GB-PCN無紡佈制造原理圖。插圖是GO-BN紡絲溶液(左)和GB-PCN(右)的照片;(b) GO納米片和(c) BN納米片的TEM圖像;(d) GB纖維的橫截面SEM圖像;(e, f) GB-PCN的頂視圖SEM圖像;(g) GB-PCN接觸角測量照片。

圖2.GB-PCN的結構表征和熱性能。(a) 還原前後GOB-N和GB-N的XPS光譜;(b) 氮氣吸附和解吸等溫線為4 GB-N;(c) 二十烷、2GB-N和E-2GB-PCN的XRD圖譜;(d, e) 二十烷、E–G-PCN、E-4GB-PCN 和 E-2GB-PCN的DSC曲線;(f) 二十烷和E-2GB-PCN的TG曲線;(g) GB-PCN的焓值和潛熱保持率與報導的PCMs的比較;(h) E-4 GB-PCN在1000次循環前後的XRD圖譜;(i) E-4 GB-PCN 的循環穩定性。

圖3.GB-PCN的太陽能熱轉換。(a-d) E-4GB-PCN在200 mW cm⁻²光照射下太陽熱轉換過程的紅外成像圖片對於不同的時間;(e-h) E-4GB-PCN和二十烷在不同光照強度下90 s的光-熱轉換過程紅外成像圖片;(i) 織物中太陽熱轉換示意圖(左臂織物中的GB-PCN,右臂的織物中沒有GB-PCN);(j) 二十烷和E-4GB-PCN的導熱系數。

圖4.服裝中的可穿戴熱管理。(a) 夾層式人體熱管理裝置示意圖;(b) 聚乙烯(PE)、棉步和棉佈-E-2GB-PCN的水蒸氣透過速率;用於人體織物熱管理的 E-2GB-PCN 在 (c) 60 s、(d) 240 s、(e) 600 s、(f) 840 s、(g) 1080 s 和 (h) 1500 s 不同時間的紅外圖像。

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圖5. 口罩中的可穿戴熱管理。(a-c) 用於口罩熱管理的GB-PCN示意圖;在38°C環境溫度下,O-2GB-PCN紅外圖像模擬瞭在(d) 0 s、(e) 120 s、(f) 540 s、(g) 1140 s不同時間的面罩熱管理效果(左半部分是O-2GB-PCN的功能化口罩,右半部分是不含O-2GB-PCN的傳統口罩);通過紅外圖像對E-2GB-PCN在環境溫度約4°C下(h) 0 s、(i) 480 s、(j) 720 s、(k) 1140 s不同時間的口罩熱管理的實際效果(右半部分是采用E-2GB-PCN的功能化口罩,左半部分是不含E-2GB-PCN的傳統口罩)。

來源|Nano-Micro Letters

原文|http://doi.org/10.1007/s40820-022-00991-6

引言:微膠囊(microcapsule),也稱微囊,是被覆蓋層,或殼包圍含有活性成分,或有核心物質的小顆粒。有時每個微膠囊可含有一些核心物質(或者是相同組分,或不同組分)。還沒有公認的微膠囊大小的尺度,其直徑可由1-1000μm改變。

微膠囊產品的簡介

由於小於1μm的微膠囊常稱為納米微膠囊,大於1000μm的微膠囊稱為大微膠囊或小球。市售微膠囊典型的直徑是3-800μm。微膠囊壁厚度在0.5-150μm,活性組分(被包裹的組分)含量在總質量的25-90%范圍改變。特殊的芯材物質在經過微膠囊化處理後,其顏色、形態、體積、質量、溶解性以及貯藏性等都會發生一定的變化,在特定的條件下,芯材物質會被緩慢釋放從而發揮作用。

微膠囊的形狀各異,主要有不規則型、簡單型、多芯型、多壁型、填質顆粒型等;按功能特性區分,包括緩釋型、壓敏型、熱敏型、光敏型、膨脹型、pH值敏感型等。

對於化妝品中具有不可滲透的微膠囊必備下列性質:

1.在產品中,為核心內物質提供穩定的,長期保護的作用;

2.在生產過程中不會被破壞,但在使用時容易被破壞;

3.容易控制微膠囊的尺寸;

4.容易制造;

5.對人體無害,並且對環境影響最少。

微膠囊技術

原理:微膠囊技術(Microencapsulation)是微量物質包裹在聚合物薄膜中的技術,是一種儲存固體、液體、氣體的微型包裝技術。具體來說是指將某一目的物(芯或內相)用各種天然的或合成的高分子化合物連續薄膜(壁或外相)完全包覆起來,而對目的物的原有化學性質絲毫無損,然後逐漸地通過某些外部刺激或緩釋作用使目的物的功能再次在外部呈現出來,或者依靠囊壁的屏蔽作用起到保護芯材的作用,微膠囊的直徑一般為 1~500μm,壁的厚度為 0.5~150μm,已開發瞭粒徑在 1μm 以下的超微膠囊。微膠囊粒子在某些實例中擴大到 0.25~1000μm。當微膠囊粒徑小於 5μm 時,因佈朗運動加劇而不容易收集;當粒徑大於 300μm 時,其表面摩擦系數會突然下降而失去微膠囊作用。一般膠囊膜壁厚度為1-30μm。化妝品中用的多為32μm 和180μm。超薄壁微膠囊膜壁厚度為0.01μm。國外微膠囊已用於遮蓋霜、保濕劑、口紅、眼影、香水、浴皂、香粉等中。微膠囊能夠提高產品的穩定性,防止各種組分之間的相互幹擾

用途:微膠囊:指一種具有聚合物壁殼的微型容器或包物。其大小一般為5-200μm不等,形狀多樣,取決於原料與制備方法。l微膠囊化:制備微膠囊的過程稱為微膠囊化。l微膠囊化技術:指將固體、液體或氣體包埋在微小而密封的膠囊中,使其隻有在特定條件下才會以控制速率釋放的技術。其中,被包埋的物質稱為芯材,包括香精香料、酸化劑、甜味劑、色素、脂類、維生素、礦物質、酶、微生物、氣體以及其它各種飼料添加劑。包埋芯材實現微囊膠化的物質稱為壁材。

芯材:可為油溶性、水溶性化合物或混合物,其狀態可為粉末、固體、液體或氣體。可包囊物的品種極其繁多,如交聯劑、催化劑、化學反應劑、顯色劑、給濕劑、藥物、殺蟲劑、礦物油、水溶液、染料、顏料、洗滌劑、食品、液晶、溶劑、氣體、疏水化合物及無機膠體等。

壁材:可用作微膠囊包囊材料的有天然高分子、半合成高分子和合成高分子材料,視所包囊物質(囊心物)的性質,油溶性囊心物需選水溶性包囊材料,水溶性囊心物則選油溶性包囊材料,即包囊材料應不與囊心物反應,不與囊心物混溶。高分子包囊材料本身的性能也是選擇包囊材料所要考慮的因素,如滲透性、穩定性、溶解性、可聚合性、粘度、電性能、吸濕性及成膜性等。

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特點:

⒈可以有效減少活性物質對外界環境因素(如光、氧、水)的反應;

⒉減少心材向環境的擴散和蒸發;

⒊控制心材的釋放;

⒋掩蔽心材的異味;

⒌改變心材的物理性質(包括顏色、形狀、密度、分散性能)、化學性質等。

對於食品工業,可以使純天然的風味配料、生理活性物質融入食品體系,並能保持生理活性,它可以使許多傳統的工藝過程得到簡化,同時它也使許多用通常技術手段無法解決的工藝問題得到解決[3]。

1 粉末化 將不易加工貯存的氣體、液體原料固體化,從而提高其溶解性、流動性和貯藏穩定性,如粉末香精、粉末食用油脂、粉末乙醇等。例如:將液體油脂作為心材,選擇適當的壁材,運用微膠囊技術就可產生出固體粉末油脂,非常方便地添加於各種食品原料中。有報導說,在國外,約有數十種微膠囊產品的粉末油脂作為食品工業原料,應用於各類營養保健食品或功能型食品。

2 降低揮發性 防止風味成分的揮發,減少風味損失。

3 降低毒性  減少食品添加劑的毒理作用等,如硫酸亞鐵阿司匹林等藥物包裹後,可通過控制釋放速度來減輕對腸胃副作用。對於制藥工業來說,可采用微膠囊技術制造靶制劑,達到定向釋放效果。

4 提高物質的穩定性(易氧化,易見光分解,易受溫度或水分影響的物質) 許多食品添加劑制成微膠囊產品後,由於有壁材的保護,能夠防止其氧化,避免或降低紫外線、溫度和濕度等方面的影響,確保營養成分不損失,特殊功能不喪失。

5 能使不相容成分均勻地混合 運用微膠囊技術,將可能相互反應的組分分別制成微膠囊產品,使它們穩定在一個物系中,各種有效成份有序地釋放,分別在相應時刻發生作用,以提高和增進食品產品的風味和營養。例如:有些粉狀食品對酸味劑十分敏感。因為酸味劑吸潮會引起產品結塊;並且酸味劑所在部位pH 值變化很大,導致周圍色澤變化,使整包產品外觀不雅。將酸味劑微膠囊化以後,可延緩對敏感成分的接觸和延長食品保存期限。

6 掩味 某些營養物質具有令人不愉快的氣味或滋味,這些味道可以用微膠囊技術加以掩蔽。這種微膠囊產品在口腔裡不溶化,而在消化道中才溶解,釋放出內容物,發揮營養作用。

7 隔離活性成分 能保持食品中微量營養素和生理活性物質對人體的活性作用。

8 控制心材釋放和作用的時間和數量 微膠囊產品經由預先設計的溶解和釋放的機理,可提供特殊的釋放方式。

微膠囊產品具體應用介紹

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微膠囊具體產品介紹

智能變色微膠囊

天然保濕/芳香整理劑

天然抗菌整理劑

天然驅蚊整理劑

增強涼感整理劑

增強涼感整理劑

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