纳米掺杂钨二氧化钒智能控温包装纸的制备及性能研究

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隔热控温纸页具有使用方便、机械加工性能优异以及强度性能良好等优点而得到广泛应用。由于该种功能纸在高温情况下,其中的功能性填料能提高红外反射率以及隔离热辐射,进而减少外部热量向内部传导,同时也将环境中的热量转化为自身的潜热,从而达到隔热控温的效果。其次,考虑到隔热控温纸页主要应用在室外,长期暴露在日晒及雨水环境中,所以对纸页的隔热性能和疏水性能要求很高。本论文采用纳米掺杂钨二氧化钒(W-VO2)并通过涂布法和湿部加填法两种方式制备了智能控温包装纸,主要内容和结论包括:(1)涂布法:首先以硬脂酸作为单一乳化剂,制备出了颗粒度小、稳定性高的阴离子型石蜡乳液,并选择羧甲基纤维素(CMC)作为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的改良剂,CMC丰富的羧基和羟基使其易于进行化学修饰而具有多种功能;其次以纳米W-VO2颗粒和CMC改性PMMA为无机-有机复合壳层、阴离子型石蜡乳液为相变芯材(PCMs),通过界面聚合法制备出了平均粒径为12μm的智能控温微胶囊(PCMs/W-VO2),芯材含量约为50.06%,相变温度和熔融焓值分别为41.2℃和48.96J/g,具有良好的相变性能和密封性能;进而以水性丙烯酸树脂为主要成膜物质,以PCMs/W-VO2微胶囊为主要隔热控温填料,并加入适量流平剂、分散剂、消泡剂等,制成了PCMs/W-VO2智能控温涂料,并以白纸板为基材制备了PCMs/W-VO2智能控温包装纸,相比包装原纸,其红外透射率降低了32%,隔热温差可达10.7℃,具有优异的隔热控温性能,纸页物理性能有所提高,考虑到涂料成本,其抗张指数和撕裂指数的最佳值分别为6.84 kN/m和22.69 mN·m2/g;最后通过添加改性纳米SiO2制备了PCMs/W-VO2智能控温疏水涂层,虽然改性纳米SiO2的添加会降低涂层的隔热控温性能,但其依然具有明显的相变过程,所以智能控温疏水涂层能有效平衡涂层的疏水性能和隔热控温性能,以及提高对水蒸气的阻隔性能。(2)湿部加填法:首先,纳米W-VO2的粒径小密度大,易团聚难分散,抄纸过程中容易随水流失,故需要对纳米W-VO2进行表面改性,并选择合适的分散条件,提高其在纸浆体系中的留着率;然后,要确定纳米W-VO2智能控温包装纸能够多次相变可逆及其他使用要求,因此需要对其相变性能及稳定性能等进行表征;最后,探讨纳米W-VO2智能控温包装纸的抄纸工艺及相变机理,为纳米W-VO2智能控温包装纸的抄造提供理论依据,也为纳米W-VO2智能控温包装纸的应用领域提供建议。改性后的纳米W-VO2粒径均一,颗粒间不粘结且分散均匀,纳米W-VO2智能控温包装纸能对大部分溶剂具有耐受性,但容易受到强酸强碱的破坏,其相变温度约为45℃,可实现对入射红外辐射的隔热控温效果。智能控温包装纸可以结合智能相变控温与热反射功能为一体,达到控温与节能的目的,改善传统型隔热控温材料在控温性及疏水性等方面存在的不足,因此可准确控制温度而应用于化学药品、精密仪器等物品保护领域。
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