你可能不知道:看似“小儿科”的 变色杯,其实和高大上的 航空服 用了同一种技术——微胶囊技术

 

1、微胶囊就像一个“汤圆”

什么是微胶囊呢?简单理解:微胶囊就是一种具有聚合物或无机物壁的微型容器,通过微胶囊造粒技术,可以将固体、液体或气体包埋,封存成一颗固体的微型胶囊。

更简而言之:微胶囊就是一个特殊壳子,里面包裹着特殊材料,就像下面这样:

囊壁就是一种聚合物或无机物的容器;囊芯就是固体,液体,或者气体的相变材料。

这种把囊芯包裹进囊壁的技术,便叫做:微胶囊技术。

囊壁包裹着囊芯,像极了裹着馅儿的汤圆。

那么,这颗“汤圆”有多大?

实际上,这颗“汤圆”跟沙子一样大小,从外表来看,并没有什么特别之处:

2、像“汤圆馅”的相变材料

微胶囊看起来平平无奇,犹如一堆散沙,但它的运用对于科学、生活而言,却很广泛,上到航空服,下到变色杯,医药、食品、轻工、化工、农业领域,都能见到微胶囊的身影。

这主要是由于微胶囊中所包裹的“芯材”,类别多、应用广。

其中一部分“芯材”被称之为:相变材料,即PCMs。

物质从一种相转变为另一种相的过程,叫做相变。比如固体转化成液体、液体转化为气体,这些现象都叫“相变”。

 

按照相变材料的科学属性划分,相变蓄热材料一般可分为:无机水合盐相变材料、有机相变蓄热材料、复合相变蓄热材料。

无机水合盐相变材料具有比较大的溶解热和固定的熔点,是中、低温相变储能材料。

有机相变储热材料是利用晶型之间的转变和高分子支链在不同温度下的转变来进行吸热或放热,比如石蜡、酯酸类和高分子化合物。

复合相变蓄热材料是一种利用无机物作为网络状基质以维持材料的形状、力学性能,而有机物作为相变材料嵌在无机网络结构里面,这样通过有机物的相变来吸收和释放能量;另一种纤维复合蓄热材料,它是将导热纤维制成蓬松团置入金属容易或模腔中,并加入相变蓄热材料制成的复合材料。

 

尽管这些相变材料的类型各有不同,但有一个共同点就是:他们可以实现调温功能。当这些材料处于一定温度范围内时,会发生吸热或放热反应。而温变和光变,都可以触发这一反应。

 

3、相变微胶囊如何应用于航空服?

20世纪30年代,当时美国人Wurs-ter用物理方法制备了微胶囊;

20世纪40年代末,他又首先采用空气悬浮法制得了微胶囊,并成功地运用到药物方面;

20世纪70年代末80年代初,美国国家航空与航天局(NASA)研究开发了微胶囊相变材料在热调节防护服装上的应用技术。

原理就是:相变材料(PCMs)能够在一种狭窄明确的温度范围内改变其相态,以潜热的形式吸收、贮存和释放大量的热量,并且在发生相变的同时,材料的温度保持不变。

当PCMs密封于直径几微米的微胶囊中得到M-PCMs,并应用于服装时,在微胶囊内密封的PCMs材料可以对外界温度的变化产生交互感应或响应,因此可减缓温度的变化,有助于保持恒定的皮肤温度。

应用了相变微胶囊的航空服完美地实现了调节温度的作用,而且在这个过程中,航空服本身的温度不变。

 

4、相变微胶囊如何应用于变色杯子?

 

如今,相变微胶囊逐渐从高大上的医药、航天领域,扩展到和人们息息相关的生活中。变色的杯子和衣服,就是一个很好的例子。

变色杯之所以变色,原理就是杯子的涂料中,加入了相变微胶囊。它由隐色色剂、显色剂和曾敏剂(减敏计)组成。当温度变化时,曾敏剂(减敏计)改变了固液状态,使显色剂和隐色色剂可以自由交换或停止交换电子,微胶囊就会变色。

而倒入热水,正是触发温度变化的方式。

在新技术日新月异的洪流中,相变微胶囊的应用,逐步从高大上的实验室进入了人们的生活,如果某一天,街道上行走着随时“变色”的人,你也不必惊讶,因为他很有可能涂上了含有相变微胶囊的防晒霜。

我们期待,科学的应用能真正走进人们的生活!

 

参考文献:[1]田雁晨,相变储能材料[J]。化学建材,2008,25(4)

[2]张冬霞,相变材料在调温服装中的应用[J]。针织工业,2007,3

[3]崔海亭,袁修于,候欣宾,蓄热技术的研究进展与应用[J]。化工进展,2002,121(1):23-25

[4]石海峰,微胶囊技术在蓄热调温纺织品中的应用[J]。产业用纺织品,2001,12

[5]张静,丁益民,陈念胎,相变储能材料的研究及应用[J]。盐湖研究,2005,3(13):52-57

[6]蔡洪兵,税安泽,曾令可,程小苏,新型相变材料的研究及展望[J]。陶瓷学报,2008,29(4)

[7]B.Pause,相变材料用于空调建筑的可能性[J]。国际纺织导报,2001,2

 

原创:吴金娥 校稿:黄湛、邓宇昊