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JP6703734B2 - Mixed viscous heat storage body and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP6703734B2 JP2016097527A JP2016097527A JP6703734B2 JP 6703734 B2 JP6703734 B2 JP 6703734B2 JP 2016097527 A JP2016097527 A JP 2016097527A JP 2016097527 A JP2016097527 A JP 2016097527A JP 6703734 B2 JP6703734 B2 JP 6703734B2
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  • Manufacturing Of Micro-Capsules (AREA)

Description

本発明は、混合粘性蓄熱体およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a mixed viscous heat storage body and a method for manufacturing the same.

蓄熱とは入出力方法が熱エネルギー形態の貯蔵方法である。熱エネルギーは最も多く使われているエネルギー形態であり、これを蓄える技術の発展によりエネルギー全体の有効利用に大きく寄与すると考えられる。
近年、電力需要拡大や地球温暖化、化石燃料枯渇問題などの影響によりエネルギー利用の高効率化が注目されるなかで蓄熱材料の重要性も高まっている。例えば工場の廃熱利用や、衣料、建材へ応用することにより省エネルギー化やエネルギーの利用効率の向上など幅広い分野において応用が期待されている。
蓄熱方法はその貯蔵する熱エネルギー形態により顕熱蓄熱法、化学蓄熱法そして潜熱蓄熱法と三つに大別することが出来る。顕熱蓄熱法は蓄熱材の熱容量を利用し熱を貯蔵する手法である。蓄熱原理がシンプルであり、技術的な課題も少なく水、煉瓦、コンクリートなどがよく用いられており、広い温度範囲で安定して熱を蓄えることが出来るという利点を持つ。特に水蓄熱技術の開発は空調設備の設計を通じて様々な応用研究がなされている。
一方で単位面積当たりの熱貯蔵量が少なく、大きな蓄熱槽が必要であること、使用温度以上の高温で蓄熱しなければならず、熱損失が大きいという課題がある。
化学蓄熱法は化学反応を利用し熱エネルギーを化学エネルギーとして貯蔵する方法である。熱を放出する際には、逆反応を起こし貯蔵した化学エネルギーを熱エネルギーとして回収する。化学蓄熱は熱貯蔵密度が大きく、熱損失が少ないために常温で長時間熱を貯蔵できるという長所がある。また、反応系の適切な選択により広い温度範囲で利用することが可能である。しかし、不均一反応系が多いために安定性が低く、長期的に持続できる蓄熱システムの構築に大きな課題がある。
潜熱蓄熱は、一般的に物質の固体・液体間の相変化において発生する潜熱を利用して蓄熱する方法である。比較的高い熱交換ができ、単位体積当たりの蓄熱容量は大きく顕熱蓄熱法などと比較して装置体積や質量を大きく減らす事ができるという利点を持つ。また、潜熱蓄熱に用いられる物質にはパラフィンなどの有機系材料と無機水和物系材料に大別され、利用したい温度域により適切な材料を選択する必要がある。
このように蓄熱システム毎に長所、短所があり、使用法や場所、予算など目的に応じたシステムの選択が重要である。
The heat storage is a storage method in which the input/output method is a thermal energy form. Thermal energy is the most used form of energy, and it is thought that the development of technology for storing it will contribute significantly to the effective use of energy as a whole.
In recent years, the importance of heat storage materials has been increasing as the efficiency of energy utilization has been increased due to the effects of expanding power demand, global warming, and the problem of fossil fuel depletion. For example, it is expected to be applied in a wide range of fields such as energy saving and improvement of energy use efficiency by applying it to waste heat from factories, clothing and building materials.
The heat storage method can be roughly classified into three types, that is, a sensible heat storage method, a chemical heat storage method, and a latent heat storage method, depending on the form of heat energy to be stored. The sensible heat storage method is a method of storing heat by utilizing the heat capacity of a heat storage material. The principle of heat storage is simple, there are few technical problems, and water, bricks, concrete, etc. are often used, and it has the advantage of being able to store heat stably in a wide temperature range. Especially for the development of water heat storage technology, various applied researches have been made through the design of air conditioning equipment.
On the other hand, there are problems that the amount of heat storage per unit area is small, a large heat storage tank is required, and heat must be stored at a temperature higher than the operating temperature, resulting in large heat loss.
The chemical heat storage method is a method of storing thermal energy as chemical energy by utilizing a chemical reaction. When heat is released, a reverse reaction occurs and the stored chemical energy is recovered as heat energy. Since the chemical heat storage has a large heat storage density and a small heat loss, it has an advantage that it can store heat at room temperature for a long time. In addition, it is possible to utilize in a wide temperature range by appropriately selecting the reaction system. However, since there are many heterogeneous reaction systems, stability is low, and there is a major problem in constructing a heat storage system that can be sustained for a long period of time.
Latent heat storage is a method of storing heat using latent heat that is generally generated during phase change between a solid and a liquid of a substance. It has the advantages that relatively high heat exchange is possible, the heat storage capacity per unit volume is large, and the apparatus volume and mass can be greatly reduced compared to the sensible heat storage method. The substances used for latent heat storage are roughly classified into organic materials such as paraffin and inorganic hydrate materials, and it is necessary to select an appropriate material according to the temperature range to be used.
As described above, each heat storage system has advantages and disadvantages, and it is important to select a system according to purposes such as usage, place, and budget.

潜熱蓄熱は前述の通り、他の方法と比べて高い蓄熱密度を持ち、装置のコンパクト化が可能であるため注目を集めている。なかでも氷蓄熱は冷房用として発展を遂げている。また、太陽熱利用発電、冷暖房給湯用など多くの用途に潜熱蓄熱技術が研究開発されていると共に将来性を嘱望されている。一方で多くの工学的課題を持つ技術でもある。
図45に潜熱蓄熱法の基本的概念図を示した。潜熱蓄熱法において蓄熱過程で、熱源より供給される温度Tの熱媒体を蓄熱材に接して流して蓄熱材側に熱を与え、固相を融解させる。この時Tは潜熱蓄熱材(以下「PCM」という。)の融解温度Tより高温とする。融解後は固相時より潜熱分だけ熱を蓄えた事になる。放熱過程では、温度T(<T)熱媒体を流して蓄熱材から熱を放出させて凝固を起こし、出した熱エネルギーを利用する。以上をサイクル的に行う事で熱利用を可能にする。
潜熱蓄熱の長所は、1)蓄熱密度が大きく蓄熱槽容積をコンパクトに出来る、2)温度がほぼ一定の熱の出し入れが可能である、3)大規模になるほど経済性が高くなる、等が挙げられる。一方短所は、1)温度範囲が限定される、2)蓄熱材と熱媒体を別にする必要があり、熱交換プロセスが必要である、3)蓄熱材には毒性や環境安全性で問題になるものも多い、4)技術的課題が比較的多い、などが挙げられる。
As described above, the latent heat storage has a higher heat storage density than other methods, and is attracting attention because it allows the device to be made compact. Above all, ice heat storage has been developed for cooling. Also, latent heat storage technology has been researched and developed for many applications such as power generation using solar heat, heating and cooling hot water supply, and is expected to have future potential. On the other hand, it is also a technology that has many engineering issues.
FIG. 45 shows a basic conceptual diagram of the latent heat storage method. In the latent heat storage method, in the heat storage process, a heat medium having a temperature T S supplied from a heat source is caused to flow in contact with the heat storage material to give heat to the heat storage material side to melt the solid phase. At this time, T S is higher than the melting temperature T 0 of the latent heat storage material (hereinafter referred to as “PCM”). After melting, it means that heat was stored by the latent heat from the solid phase. The heat release process, the temperature T R (<T 0) cause coagulation by passing a heat medium heat is released from the heat storage material, utilizing heat energy out. By utilizing the above in a cycle, heat can be utilized.
The advantages of latent heat storage are that 1) the heat storage density is large and the heat storage tank volume can be made compact, 2) heat can be taken in and out at a temperature that is almost constant, and 3) the larger the economy, the higher the economy. Be done. On the other hand, the disadvantages are 1) the temperature range is limited, 2) the heat storage material and the heat medium must be separated, and a heat exchange process is required. 3) the heat storage material is problematic in terms of toxicity and environmental safety. There are many things, 4) There are many technical problems, and so on.

蓄熱槽でPCMを用いる研究は1947年にTelkes Mによって始まった。従来における潜熱蓄熱システムにおける研究としては、融解潜熱が大きく熱理学的な性質が蓄熱媒体として優れている無機塩の水和結晶や単位面積当たりの貯蔵能力に優れ融点範囲が広く、過冷却や相分離現象が起こり難いパラフィンなどの有機物を利用する潜熱蓄熱システムの基礎および応用研究が注目されている。例えば稲葉等は、低温潜熱物質としてテトラデカンを用い、水を連続相とするO/Wエマルジョンの熱的物性を測定し、エマルジョンの検討を行っている。その結果、エマルジョン中のテトラデカン油滴は過冷却現象を起こすことを明らかとした。F.L.Tan らの研究では、様々な形態の熱貯蔵システムの融解・凝固に関して検討されている。潜熱を貯蔵するためにn-octadecaneをカプセル内に充填し、そのカプセル内部における相変化とカプセルの対流現象を観察するため、実験的な結果やCFD(Computational fluid dynamics)プログラムで解析の結果と比較を行った。また、Tyagi等は無機系水和材料であるCaCl・6HOの過冷却挙動に関する研究を行い、pHを変化させることにより過冷却を減少させる事を明らかにした。 The study of using PCM in a heat storage tank was started by Telkes M in 1947. Conventional studies on latent heat storage systems include hydrated crystals of inorganic salts, which have large latent heat of fusion and excellent thermophysical properties as heat storage media, and have excellent storage capacity per unit area, wide melting point range, supercooling and phase. Attention has been focused on basic and applied research on latent heat storage systems that utilize organic substances such as paraffin that are unlikely to cause separation phenomena. For example, Inaba and others use tetradecane as a low-temperature latent heat substance, and the thermal properties of an O/W emulsion containing water as a continuous phase are measured to study the emulsion. As a result, it was clarified that the tetradecane oil droplets in the emulsion cause a supercooling phenomenon. A study by FLTan et al. examined the melting and solidification of various forms of heat storage systems. In order to observe the phase change inside the capsule and the convection phenomenon of the capsule by filling n-octadecane in order to store latent heat, compare it with the experimental result and the analysis result with the CFD (Computational fluid dynamics) program. I went. In addition, Tyagi et al. conducted research on the supercooling behavior of CaCl 2 .6H 2 O, which is an inorganic hydration material, and found that the supercooling was reduced by changing the pH.

上述のようにPCMの研究の基礎的な事から応用にかけて幅広い研究がなされている。理想的に考えれば、PCMは一定の相変化温度で融解・凝固するはずである。しかし実際には非可逆的挙動を示し、それらの性能低下を示す。このことがPCMを工学的に応用する際の大きな課題となっている。例えば、塩水和物などでは特に過冷却が問題となる。冷却をしても本来固化する温度よりも相当の過冷却温度で固化する。加えて、不純物や冷却速度によって、準安定域は異なってくるために定量的評価も難しい。対策として核生成剤などを付与するなどが挙げられるが、用いる材料により核生成剤も様々であり分析が必要となる。また、使用している間に固相と液相に分離してしまう相分離現象を起こしてしまう。他に 高温用蓄熱に使われる溶融塩は容器などへの腐食が大きく防蝕技術が必要なこと、相変化時の体積膨張が構造物に与える影響を避ける設計が必要であること、低熱伝導性などの課題が挙げられる。 As mentioned above, a wide range of research has been done from the basic to the applied PCM research. Ideally, PCM should melt and solidify at a constant phase change temperature. However, they actually show irreversible behavior and show their performance degradation. This is a major issue in engineering application of PCM. For example, in the case of salt hydrates, supercooling is a particular problem. Even when cooled, it solidifies at a supercooling temperature which is considerably higher than the temperature at which it originally solidifies. In addition, the metastable region varies depending on impurities and cooling rate, so quantitative evaluation is difficult. As a countermeasure, it is possible to add a nucleating agent, etc., but the nucleating agent also varies depending on the material used and analysis is required. In addition, a phase separation phenomenon occurs in which a solid phase and a liquid phase are separated during use. In addition, the molten salt used for high temperature heat storage is highly corrosive to the container etc. and requires anti-corrosion technology, it is necessary to design to avoid the effect of volume expansion on the structure during phase change, low thermal conductivity, etc. The challenges are.

硫酸ナトリウム10水和物(NaSO・10HO)は代表的な無機水和物系材料であり、潜熱蓄熱材として知られる。NaSO・10HOは安価であり、潜熱量もおよそ240kJ/kgと比較的大きく、1940年代から多くの研究がなされてきた。また、人体に無害であり、その融点は32℃であるため生活環境においても使用し易いという利点がある。
純粋なNaSO・10HOは過冷却が大きく、融解凝固の過程で相分離を起こしNaSO・7HOを形成するため、蓄熱性能や安定性が低下する。図1に−40℃〜80℃の温度範囲でのNaSO・10HOのDSC(示差走査熱量計)測定結果を示す。図1に示すように−40℃から昇温時には約32℃で融解時の吸熱に起因するピークが観察された。しかし一方で80℃からの降温時には結晶が凝固する際の放熱に起因するピークが3つに分裂した状態で観察された。このようなピークの分裂は相分離により目的となる10水和物以外の低次の水和物が形成されたためだと考えられる。このように相分離、過冷却状態により安定性の低下につながり、所望の温度で熱を取り出すことが難しくなってしまう。このように不均一状態で融解した蓄熱材がその融点以下になり過冷却状態になると融解していないNaSOは新しく生成したNaSO・10HOおよび水と3成分が準安定状態(meta-stable condition)を形成する。潜熱量はNaSO・10HOの生成量によって、直線的に増加するため蓄熱システムの性能を減少させる。こうした減少を解決するには、一般的には核形成剤を加え、各成長を促す必要がある。また増粘剤などを加えて系全体の粘度を増加させ、溶解したNaSO粒子の沈殿を防止することにより、平衡状態を保つことができ相分離を防止することができる。前述のように純粋なNaSO・10HOの初期潜熱量は約240kJ/kgである。しかし20〜40回の測定後には約64kJ/kgまで減少する。9.3wt%の増粘剤を加えた系では、初期の潜熱量は純粋なものに比べて85%程度まで減少するが200回の測定後にも106kJ/kgという潜熱量を保つことが可能であり、その後はほぼ安定した値を示すという報告がある。
Sodium sulfate decahydrate (Na 2 SO 4 ·10H 2 O) is a typical inorganic hydrate material and is known as a latent heat storage material. Na 2 SO 4 ·10H 2 O is inexpensive and has a relatively large latent heat amount of about 240 kJ/kg, and many studies have been conducted since the 1940s. Further, since it is harmless to the human body and has a melting point of 32° C., it has the advantage of being easy to use even in a living environment.
Pure Na 2 SO 4 ·10H 2 O has a large degree of supercooling, and phase separation occurs in the process of melting and solidification to form Na 2 SO 4 ·7H 2 O, so the heat storage performance and stability deteriorate. FIG. 1 shows the DSC (differential scanning calorimeter) measurement results of Na 2 SO 4 ·10H 2 O in the temperature range of −40° C. to 80° C. As shown in FIG. 1, a peak due to the endotherm during melting was observed at about 32° C. when the temperature was raised from −40° C. However, on the other hand, when the temperature was lowered from 80° C., the peak due to heat dissipation when the crystal solidified was observed in a state of being divided into three. It is considered that such peak splitting is due to the formation of lower hydrates other than the target decahydrate by phase separation. As described above, the phase separation and the supercooled state lead to a decrease in stability, and it becomes difficult to extract heat at a desired temperature. Thus Na 2 SO 4 is newly generated Na 2 SO 4 · 10H 2 O and water and the three components are metastable melting heat storage material is not melted to become supercooled state becomes below its melting point in a heterogeneous state Form a meta-stable condition. The latent heat amount linearly increases depending on the amount of Na 2 SO 4 ·10H 2 O produced, and thus reduces the performance of the heat storage system. To address these decreases, nucleating agents are typically added to encourage growth. Further, by adding a thickener or the like to increase the viscosity of the entire system and preventing the precipitated Na 2 SO 4 particles from precipitating, an equilibrium state can be maintained and phase separation can be prevented. As described above, the initial latent heat quantity of pure Na 2 SO 4 ·10H 2 O is about 240 kJ/kg. However, it decreases to about 64 kJ/kg after 20 to 40 measurements. In the system containing 9.3 wt% thickener, the initial latent heat amount is reduced to about 85% compared to the pure one, but it is possible to maintain the latent heat amount of 106 kJ/kg even after 200 measurements. There is a report that it shows a stable value after that.

また、近年相分離防止策の一つとして溶融体をミクロな構造に閉じ込めることで、その構造の中で溶融凝固させるような方法がとられるようになってきた。溶融体をミクロ構造内に閉じ込めることにより、吸熱時に高次の水和塩から低次の水和塩ができる際に放出される水分子が、水和塩の近隣に存在することになる。そのため放熱時に水和塩がこの水を容易に取り込むことが出来る。基本的な原理自体は増粘剤を加えることによる相分離防止策と同じである。こうしたミクロ構造を利用した相分離防止法の一つにマイクロカプセル化がある。 Further, in recent years, as one of the measures for preventing phase separation, a method has been adopted in which the melt is confined in a microstructure so that the melt is solidified in the structure. By confining the melt within the microstructure, the water molecules that are released when the higher hydrated salts form lower hydrated salts on endotherm will be in the vicinity of the hydrated salts. Therefore, the hydrated salt can easily take in this water during heat radiation. The basic principle itself is the same as the phase separation prevention measure by adding a thickener. One of the methods for preventing phase separation utilizing such a microstructure is microencapsulation.

マイクロカプセルはそれを球とみなしたとき、径がマイクロメートル領域にあるカプセルである。しかし製法が原理的に同じであるならば、径がミリメートルあるいはナノメートル領域にあるものもマイクロカプセルと呼んでいる。マイクロカプセルの役割として、芯物質あるいは核物質と呼ばれる中身を外部環境から保護することである。また、芯物質を外部に放出する速度を調節する機能なども持つ。このような機能からマイクロカプセルは幅広い分野に利用されている。製法原理は通常のそれと異なる。微小なマイクロカプセルを作るには芯物質を微粒子状にして適切な媒質中に分散し、次いで微粒子に膜をかぶせて被覆する。特に後者の過程はマイクロカプセル化(microencapusulation)と呼ばれる。カプセル化の方法は多数報告されており、大別すると化学反応を利用する化学的方法、物理化学的変化を利用する物理化学的方法及び物理的ないし機械的操作を主に利用する物理的方法に分類できる。また、内包する物質の物理化学的・生化学的性質および使用する壁材の物性、カプセル化によりどのような機能を期待するかによってマイクロカプセル化の方法を選択する必要がある。その方法は、前述の大別方法とは別に、芯物質界面への壁材の沈積を利用する場合と界面での反応を利用して被膜を形成させる場合とに大別できる。前者を界面沈積法、後者を界面反応法とすると表1のように分類できる。本発明では特に界面反応法の中で広く一般的に用いられているin situ重合法について着目した。 A microcapsule is a capsule whose diameter is in the micrometer range when it is regarded as a sphere. However, if the manufacturing method is the same in principle, those with diameters in the millimeter or nanometer range are also called microcapsules. The role of the microcapsules is to protect the contents called core substances or nuclear substances from the external environment. It also has the function of controlling the rate at which the core substance is released to the outside. Due to such a function, microcapsules are used in a wide range of fields. The manufacturing principle is different from the usual one. To make fine microcapsules, the core material is made into fine particles and dispersed in an appropriate medium, and then the fine particles are covered with a film. In particular, the latter process is called microencapsulation. A large number of encapsulation methods have been reported, and they can be roughly classified into a chemical method utilizing a chemical reaction, a physicochemical method utilizing a physicochemical change, and a physical method mainly utilizing a physical or mechanical operation. Can be classified. In addition, it is necessary to select a microencapsulation method depending on the physicochemical/biochemical properties of the substance to be encapsulated, the physical properties of the wall material used, and what kind of function is expected by encapsulation. The method can be roughly divided into the case of using the deposition of the wall material on the interface of the core substance and the case of forming the coating film by using the reaction at the interface, separately from the above-mentioned method. If the former is the interface deposition method and the latter is the interface reaction method, they can be classified as shown in Table 1. In the present invention, the in-situ polymerization method, which is widely and generally used among the interfacial reaction methods, has been focused on.

in situ重合法は互いに混じり合わない2相の一方にモノマーや触媒を加えることでその界面で重合反応を起こして芯物質の表面に均一な膜を形成する方法である。原理を図2に示す。この方法の利点として芯物質は液体に限らず、固体や気体を用いる事が出来ることが挙げられる。メラミン樹脂を膜物質としたマイクロカプセル、スチレンモノマーをW/Oエマルジョンの外部から与える架橋ポリスチレンを膜とするカプセル、スチレンモノマーをO/Wエマルジョンの内部から与え、内部にイソオクタンを含有するカプセルの合成に関する報告が成されている。また高分子に限らず、無機質壁マイクロカプセルの合成についても研究がなされており、無機質壁を持つ球形粒子の合成例も報告されている。例えば、水和酸化鉄球形粒子、酸化亜鉛球形粒子、炭酸カルシウム球形粒子、アルカリ土類金属ケイ酸塩球形粒子、シリカ壁球形粒子などが報告されている。
以上のようにマイクロカプセルは有機、無機を問わず様々な材料で幅広い分野に応用が可能である。現在でも記録材料、医薬品、人工臓器分野、農業材料、表示材料、香料・化粧品、食品などに使用されている。
The in situ polymerization method is a method in which a monomer or a catalyst is added to one of two immiscible phases to cause a polymerization reaction at the interface to form a uniform film on the surface of the core substance. The principle is shown in FIG. The advantage of this method is that the core substance is not limited to a liquid, and a solid or gas can be used. Synthesis of microcapsules with melamine resin as a membrane substance, capsules with crosslinked polystyrene that gives styrene monomer from the outside of W/O emulsion, and capsules that give styrene monomer from the inside of O/W emulsion and contain isooctane inside Has been reported. In addition to polymers, research has been conducted on the synthesis of inorganic wall microcapsules, and synthetic examples of spherical particles having inorganic walls have been reported. For example, hydrated iron oxide spherical particles, zinc oxide spherical particles, calcium carbonate spherical particles, alkaline earth metal silicate spherical particles, and silica wall spherical particles have been reported.
As described above, the microcapsules can be applied to a wide range of fields with various materials, whether organic or inorganic. It is still used in recording materials, medicines, artificial organs, agricultural materials, display materials, fragrances/cosmetics, foods, etc.

また、パラフィン等の潜熱蓄熱材及びゲル化剤を含む材料を用い、建材として用いられる潜熱蓄熱材であって、外界に向けられた太陽光の照射側の外側表面と、日中における太陽のふく射熱を受ける外側表面の最低温度と最高温度間の温度範囲内になる相変化温度とを有する潜熱蓄熱材が知られている(特許文献1参照)。本例は、硫酸ナトリウムとポリマーとの配合比率の開示がなく、十分な蓄熱性も得られていない。 In addition, it is a latent heat storage material that is used as a building material by using a material containing a latent heat storage material such as paraffin and a gelling agent. There is known a latent heat storage material having a phase change temperature within a temperature range between the minimum temperature and the maximum temperature of the outer surface receiving the heat (see Patent Document 1). In this example, there is no disclosure of the compounding ratio of sodium sulfate and the polymer, and sufficient heat storage property is not obtained.

WO2013/176050号公報WO2013/176050

本発明では蓄熱材料の一種である、NaSO・10HOにマイクロカプセル技術を応用することで蓄熱材内包カプセル粒子を合成する。カプセル粒子中に蓄熱材を内包することで、融解時の漏出を防止することや相分離の減少などが期待できる。また、蓄熱材内包粒子の合成を試みた。また、触媒や界面活性剤の影響を検討すると共に24時間という長時間の合成時間の短時間化を試みた。その後、触媒の働きなどを考察すると共に粒子形成メカニズムについて考察を行った。
また、粒子径の増大化を図り粒子内部のNaSO・10HO量を増やすことで蓄熱性能の向上を目指した。また中空シリカナノ粒子の合成方法を蓄熱材内包粒子に応用し、W/Oエマルジョンの連続相である水中にポリエチレングリコールを溶解させることでエマルジョンの安定性を高めマイクロメートルオーダーの粒子合成を試みた。
また、用いる高分子を変え、同様に蓄熱材内包粒子を合成し、その相互作用の違いを利用することで熱的特性のさらなる向上を目指した。
In the present invention, the heat storage material-containing capsule particles are synthesized by applying the microcapsule technique to Na 2 SO 4 ·10H 2 O, which is a kind of heat storage material. Inclusion of the heat storage material in the capsule particles can be expected to prevent leakage during melting and reduce phase separation. In addition, we tried to synthesize particles containing heat storage material. Moreover, the influence of the catalyst and the surfactant was examined, and an attempt was made to shorten the synthesis time of 24 hours. After that, the function of the catalyst was considered and the mechanism of particle formation was considered.
In addition, the aim was to improve the heat storage performance by increasing the particle size and increasing the amount of Na 2 SO 4 ·10H 2 O inside the particles. In addition, the method of synthesizing hollow silica nanoparticles was applied to particles containing heat storage material, and polyethylene glycol was dissolved in water, which is the continuous phase of the W/O emulsion, to improve emulsion stability and to synthesize particles on the order of micrometers.
In addition, we aimed to further improve the thermal characteristics by changing the polymer used and synthesizing particles containing heat storage material in the same way and utilizing the difference in the interaction.

本発明において、物質間の固体・液体相変化を利用した潜熱特熱の利用には、蓄熱材料を粒子内部に内包させたカプセル粒子の合成が必要となる。より高い蓄熱性能を求めるためには、粒子内部に蓄熱材が充填された状態が理想である。また、粒子サイズは大きい方がシリカの影響を最小限に抑えて蓄熱性能を発揮できると期待される。
また、シクロヘキサン溶媒中に硫酸ナトリウム水溶液を添加し、W/Oエマルジョンを形成させ、その表面をシリカでコーティングすることによりカプセル粒子を合成できると報告されている。しかし用いる触媒量の影響や粒子径の制御などが確立されておらず、またその影響についても不明な点は多い。加えて粒子の合成時間は24時間としており非常に長い事も応用への課題となっている。粒子形成メカニズムについても明確になっておらず、反応条件の影響やメカニズムの明確化などが必要である。
そこで本発明では、触媒や界面活性剤の影響を検討すると共に合成時間の短時間化を試みた後、触媒の働きなどを考察すると共に粒子形成メカニズムについて考察を行った。
また、エマルジョン安定のために界面活性剤を用いている。カプセル粒子の粒径の違いが熱的特性に与える影響についてはまだ明らかになっていない。その結果として所望の特性を持つような粒径の粒子を合成することは、応用として非常に重要な点であると考えられる。一般的にエマルジョン径の大きさは界面活性剤濃度に影響している。そのため、界面活性剤濃度を変化させることで粒子径に与える影響を調査し、粒子系の制御が可能であるかどうかを調査した。
また、エマルジョンの安定化は粒子形成を考える上で非常に重要な要素の一つであると考えられる。そのため界面活性剤が粒子形成に与える影響について調べることに意義があると考えた。そこで、界面活性剤種を変化させ界面活性剤がカプセル化にどのように影響するかを調査した。
TEOSの加水分解、縮合重合反応において触媒として作用するNH の存在は重要である。そこで、カプセル粒子合成時の触媒濃度の最適化を行った。TEOSの加水分解、縮合重合反応が起こるタイミングを調べるために反応系の水量を調整して合成を行った。またカチオンを有するアミン触媒とアニオン性界面活性剤の静電的相互作用により、エマルジョンの界面付近でシリカシェルコーティングが進行すると報告されている。そこで合成時のpHを変化させることで反応における触媒の電的相互作用を制御し、反応における触媒作用メカニズムを考察した。以上を踏まえて24時間という長い反応時間を短縮することを試みた。触媒能向上を期待し、両端と内部にアミノ基を合計3個持つ3−3ジアミノジプロピルアミン、一般的に触媒として広く用いられるアンモニアを用いて反応時間や触媒種による粒子形成への影響を調べた。
In the present invention, in order to utilize latent heat special heat utilizing solid-liquid phase change between substances, it is necessary to synthesize capsule particles in which a heat storage material is included inside the particles. In order to obtain higher heat storage performance, it is ideal that the particles are filled with a heat storage material. In addition, it is expected that the larger the particle size, the more the heat storage performance can be exhibited by minimizing the influence of silica.
It has also been reported that capsule particles can be synthesized by adding a sodium sulfate aqueous solution to a cyclohexane solvent to form a W/O emulsion and coating the surface with silica. However, the influence of the amount of catalyst used and the control of particle size have not been established, and there are many unclear points regarding the influence. In addition, the particle synthesis time is set to 24 hours, which is also a problem for application because it is very long. The particle formation mechanism has not been clarified, so it is necessary to clarify the influence of reaction conditions and the mechanism.
Therefore, in the present invention, the influence of the catalyst and the surfactant was examined, the synthesis time was shortened, and then the action of the catalyst was examined and the particle formation mechanism was examined.
A surfactant is used to stabilize the emulsion. The effect of the difference in particle size of the capsule particles on the thermal characteristics has not been clarified yet. As a result, synthesizing particles having a particle size having desired characteristics is considered to be a very important point for application. Generally, the size of the emulsion diameter affects the surfactant concentration. Therefore, the effect of changing the surfactant concentration on the particle size was investigated, and whether control of the particle system was possible was investigated.
In addition, stabilization of the emulsion is considered to be one of the very important factors in considering particle formation. Therefore, it was considered important to investigate the effect of surfactants on particle formation. Therefore, we investigated the effect of surfactants on encapsulation by changing the surfactant type.
The presence of NH 4 + that acts as a catalyst in the hydrolysis and condensation polymerization reaction of TEOS is important. Therefore, we optimized the catalyst concentration during capsule particle synthesis. The synthesis was performed by adjusting the amount of water in the reaction system in order to investigate the timing of the hydrolysis and condensation polymerization reaction of TEOS. It is also reported that the silica shell coating proceeds near the interface of the emulsion due to electrostatic interaction between the amine catalyst having a cation and the anionic surfactant. Therefore, we investigated the mechanism of catalytic action in the reaction by controlling the electrical interaction of the catalyst in the reaction by changing the pH during the synthesis. Based on the above, an attempt was made to shorten the long reaction time of 24 hours. In order to improve the catalytic activity, 3-3 diaminodipropylamine, which has a total of 3 amino groups at both ends and inside, and ammonia, which is widely used as a catalyst, are used to influence the reaction time and the effect of catalyst species on particle formation. Examined.

本発明は、ポリマーと無機塩の混合粘性体とすることで、袋状、箱状など様々な形態に対応した蓄熱材を容易に得ることができる。ポリマーと無機塩の配合比により粘性の調整ができる。カプセル化することで粉体としての利用も可能である。ナノサイズ化しても蓄熱性が得られるため、可視光透過性を付与することができ、コーティング材、フィルムへ練り込むことができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a heat storage material corresponding to various shapes such as a bag shape and a box shape can be easily obtained by using a mixed viscous material of a polymer and an inorganic salt. The viscosity can be adjusted by the blending ratio of the polymer and the inorganic salt. It can also be used as a powder by encapsulation. Since the heat storage property is obtained even when it is made into a nano size, it is possible to impart visible light transparency and knead into a coating material or a film.

図1は、本発明に係るNaSO・10HOのDSC測定結果を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the DSC measurement results of Na 2 SO 4 ·10H 2 O according to the present invention. 図2は、重合法によるマイクロカプセル化の原理図である。FIG. 2 is a principle diagram of microencapsulation by a polymerization method. 図3は、界面活性剤を変えた際のカプセル粒子合成フローチャートである。FIG. 3 is a flow chart of capsule particle synthesis when the surfactant is changed. 図4は、触媒種を変化させた粒子合成手順を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing a particle synthesis procedure in which the catalyst species are changed. 図5は、TEDモードにおけるSEM画像である。FIG. 5 is an SEM image in the TED mode. 図6は、各界面活性剤濃度におけるDSC測定結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the DSC measurement results at various surfactant concentrations. 図7は、各界面活性剤種を変えた際の粒子を示すSEM画像である。FIG. 7 is an SEM image showing particles when different kinds of surfactants are used. 図8は、Span80のDSC測定結果を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the DSC measurement results of Span80. 図9は、水量を調節した際の粒子を示すSEM画像である。FIG. 9 is an SEM image showing particles when the amount of water was adjusted. 図10は、水量調節系と通常系での合成粒子のDSC測定結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the DSC measurement results of synthetic particles in a water amount control system and a normal system. 図11は、NHを触媒、反応時間12時間条件で合成した粒子を示すSEM画像である。FIG. 11 is an SEM image showing particles synthesized with NH 3 as a catalyst and a reaction time of 12 hours. 図12は、3−3’ジアミノジプロピルアミン触媒、反応時間(a)は6時間、(b)は12時間、条件で合成した粒子を示すSEM画像である。FIG. 12 is an SEM image showing particles synthesized under the conditions of 3-3′ diaminodipropylamine catalyst, reaction time (a) of 6 hours, and (b) of 12 hours. 図13は、各触媒を用いた際のせん断速度と粘度の関係を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the relationship between shear rate and viscosity when using each catalyst. 図14は、蓄熱材として用いる硫酸ナトリウム10水和物の水溶液濃度を変えて合成した際の手順を示すフローチャートである。FIG. 14: is a flowchart which shows the procedure at the time of synthesize|combining by changing the aqueous solution concentration of the sodium sulfate decahydrate used as a heat storage material. 図15は、水相中にポリマーを加えず合成した手順を示すフローチャートである。FIG. 15 is a flow chart showing the procedure of synthesis without adding a polymer in the aqueous phase. 図16は、PEGの分子量および濃度を変えて合成した際の手順を示すフローチャートである。FIG. 16 is a flowchart showing a procedure for synthesizing PEG by changing its molecular weight and concentration. 図17は、硫酸ナトリウム水溶液濃度を変えて合成した粒子を示すSEM画像である。FIG. 17 is an SEM image showing particles synthesized by changing the sodium sulfate aqueous solution concentration. 図18は、XRD(X線解析)結果を示すグラフである。FIG. 18 is a graph showing XRD (X-ray analysis) results. 図19は、DSC(示差走査熱量測定)結果を示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing the results of DSC (differential scanning calorimetry). 図20は、硫酸ナトリウム10%の条件で合成した粒子の繰り返し測定結果を示すグラフである。FIG. 20 is a graph showing the results of repeated measurement of particles synthesized under the condition of sodium sulfate 10%. 図21は、繰り返し測定から得られた吸熱量とサイクル数の関係を示すグラフである。FIG. 21 is a graph showing the relationship between the amount of heat absorption and the number of cycles obtained from repeated measurements. 図22は、PEG無添加状態でのSEM画像である。FIG. 22 is an SEM image in the state where no PEG was added. 図23は、無添加系シリカシェル形成イメージを示す概念図である。FIG. 23 is a conceptual diagram showing an image of additive-free silica shell formation. 図24は、ポリマー有無条件でのDSC測定比較を示すグラフである。FIG. 24 is a graph showing a DSC measurement comparison under the presence or absence of a polymer. 図25は、PEG濃度変更の条件で合成した粒子を示すSEM画像である。FIG. 25 is an SEM image showing particles synthesized under the condition of changing the PEG concentration. 図26は、粒子を示すEDS画像であり、(a)は3.0wt%、(b)は7.5wt%、(c)は9.0wt%の条件を示す。FIG. 26 is an EDS image showing particles, where (a) is 3.0 wt %, (b) is 7.5 wt %, and (c) is 9.0 wt %. 図27は、ラマン分光法測定の結果を示すグラフである。FIG. 27 is a graph showing the results of Raman spectroscopy measurement. 図28は、PEG−NaSOのTG測定結果を示すグラフである。FIG. 28 is a graph showing the results of TG measurement of PEG-Na 2 SO 4 . 図29は、粒子のDSC測定結果を示すグラフである。FIG. 29 is a graph showing the DSC measurement results of particles. 図30は、PEG濃度による硫酸ナトリウムの取り込みイメージを示す概念図である。FIG. 30 is a conceptual diagram showing an image of sodium sulfate uptake according to PEG concentration. 図31は、ポリマーの構造式である。FIG. 31 is a structural formula of a polymer. 図32は、ポリマーを変えた条件での合成手順を示すフローチャートである。FIG. 32 is a flow chart showing the synthesis procedure under the condition that the polymer is changed. 図33は、PAA条件による合成粒子のSEMおよびEDS画像である。FIG. 33 is an SEM and EDS image of synthetic particles under PAA conditions. 図34は、PEI条件による合成粒子のSEMおよびEDS画像である。FIG. 34 is an SEM and EDS image of synthetic particles according to PEI conditions. 図35は、PVA条件による合成粒子のSEMおよびEDS画像である。FIG. 35 is an SEM and EDS image of synthetic particles under PVA conditions. 図36は、PVP条件による合成粒子のSEMおよびEDS画像である。FIG. 36 is an SEM and EDS image of synthetic particles under PVP conditions. 図37は、各試料のXRD測定結果を示すグラフである。FIG. 37 is a graph showing the XRD measurement result of each sample. 図38は、合成した各粒子のDSC測定結果を示すグラフである。FIG. 38 is a graph showing the DSC measurement result of each synthesized particle. 図39は、ポリマー水溶液、ポリマー/硫酸ナトリウム水溶液のせん断速度と粘度の関係を示すグラフである。FIG. 39 is a graph showing the relationship between the shear rate and the viscosity of a polymer aqueous solution and a polymer/sodium sulfate aqueous solution. 図40は、PVAを除いたポリマー水溶液、ポリマー/硫酸ナトリウム水溶液のせん断速度と粘度の関係を示すグラフである。FIG. 40 is a graph showing the relationship between the shear rate and the viscosity of the polymer aqueous solution excluding PVA and the polymer/sodium sulfate aqueous solution. 図41は、PEI条件におけるエマルジョン径の時間変化の関係を示すグラフである。FIG. 41 is a graph showing the relationship of the temporal change of emulsion diameter under PEI conditions. 図42は、PVA条件におけるエマルジョン径の時間変化の関係を示すグラフである。FIG. 42 is a graph showing the relationship of the temporal change of emulsion diameter under PVA conditions. 図43は、PVP条件におけるエマルジョン径の時間変化の関係を示すグラフである。FIG. 43 is a graph showing the relationship of the temporal change in emulsion diameter under PVP conditions. 図44は、PVP挙動イメージを示す概念図である。FIG. 44 is a conceptual diagram showing a PVP behavior image. 図45は、潜熱蓄熱法を示す基本的概念図である。FIG. 45 is a basic conceptual diagram showing the latent heat storage method.

粉体としても利用可能、可視光透過性のある蓄熱マイクロカプセルを安価に提供する目的を、ポリマー水溶液と、ポリマー/硫酸ナトリウム水溶液と水溶性界面活性剤とを水相とし、オクタノールと増粘剤とを油相とし、無機塩を滴下させることにより、実現した。 For the purpose of inexpensively providing heat storage microcapsules that can be used as powder and have visible light transparency, an aqueous polymer solution, a polymer/sodium sulfate aqueous solution and a water-soluble surfactant are used as an aqueous phase, and octanol and a thickener are used. It was realized by using and as an oil phase and dropping an inorganic salt.

〔原料〕
コアとなるPCM(潜熱蓄熱材)は硫酸ナトリウム10水和物(和光純薬工業社)を用いた。溶媒としてシクロヘキサン(和光純薬工業社)、またエマルジョンを形成させる界面活性剤としてドデシル硫酸ナトリウム(和光純薬工業社)、ソルビタンモノオレアート(Span 80)(東京化成工業社))、t−オクチルフェノキシポリエトキシエタノール(TritonX-100)(ナカライテスク)を用いた。粒子のシェルとなるシリカ前駆体としてオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)(和光純薬工業社)、触媒として3−アミノプロピルトリエトキシシラン(APTS)(信越シリコーン) を用いた。
〔material〕
As the core PCM (latent heat storage material), sodium sulfate decahydrate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used. Cyclohexane (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a solvent, sodium dodecyl sulfate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), sorbitan monooleate (Span 80) (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)) as a surfactant for forming an emulsion), t-octyl Phenoxypolyethoxyethanol (Triton X-100) (Nacalai Tesque) was used. Tetraethyl orthosilicate (TEOS) (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as the silica precursor that became the shell of the particles, and 3-aminopropyltriethoxysilane (APTS) (Shin-Etsu Silicone) was used as the catalyst.

〔製造方法〕
製造フローチャートを図3に示す。また、その際に用いた試薬の組成を表2に示す。
〔Production method〕
A manufacturing flow chart is shown in FIG. Table 2 shows the composition of the reagents used at that time.

50mLビーカー中にシクロヘキサンを加えホットスターラーで60℃に加熱しながら撹拌を行った。その後、SDSを0.02Mになるように加え溶液が薄く白濁するまで撹拌を行った。その後、2MNaSO水溶液を一度に加え、1−ペンタノールもまた一度に加えエマルジョンを形成させた。15分撹拌した後、1時間エイジングし、再び撹拌しながらTEOSを滴下し、APTSを加え24時間反応させた。反応終了後遠心分離を行い、エタノールで三回洗浄を行った。洗浄後10℃で一晩乾燥し粒子を得た。報告では、触媒であるAPTS量に明確な記載はなかったが、本例では表2に示すように2wt%のAPTS水溶液を所定の量加えた。同様に界面活性剤種を変化させ粒子形成の影響を調査した。手順は図3と同様に行った。表3に合成時の試薬量を示す。界面活性剤量はSDS0.02Mの系に合わせて等しい濃度になるように加えた。 Cyclohexane was added to a 50 mL beaker and stirred with heating with a hot stirrer at 60°C. Then, SDS was added to 0.02M and the solution was stirred until it became slightly cloudy. Then, a 2M Na 2 SO 4 aqueous solution was added at once and 1-pentanol was also added at once to form an emulsion. After stirring for 15 minutes, the mixture was aged for 1 hour, TEOS was added dropwise with stirring again, APTS was added, and the mixture was reacted for 24 hours. After completion of the reaction, centrifugation was performed and washing with ethanol was performed three times. After washing, it was dried overnight at 10° C. to obtain particles. Although there was no clear description in the report of the amount of APTS as a catalyst, in this example, as shown in Table 2, a predetermined amount of 2 wt% APTS aqueous solution was added. Similarly, the effect of particle formation was investigated by changing the surfactant species. The procedure was the same as in FIG. Table 3 shows the amount of reagents at the time of synthesis. The amount of surfactant was added so as to have the same concentration according to the system of SDS 0.02M.

表4に触媒濃度を変更し合成を行った際の試薬量を示す。合成手順は図3に示した手順と同様に行った。 Table 4 shows the amounts of reagents when the catalyst concentration was changed and synthesis was performed. The synthesis procedure was the same as that shown in FIG.

メカニズムを考察するために系全体の水量を調節して合成を行った。合成手順は図3に示した手順と同様に行った。合成時の試薬量は表6に示す。
また図4に触媒の種類を変えた際の合成手順、表5に合成時の試薬量を示す。
In order to study the mechanism, the amount of water in the whole system was adjusted and the synthesis was performed. The synthesis procedure was the same as that shown in FIG. Table 6 shows the amounts of reagents at the time of synthesis.
Further, FIG. 4 shows the synthetic procedure when the kind of the catalyst is changed, and Table 5 shows the reagent amount at the time of synthesis.

〔評価〕
a.SEM
乾燥後の粒子をエタノール中に分散させマイクログリッドに滴下することで観察試料を作製した。その後、OSMIUM PLASMA COATER OPC60A (フィルジェン社)によりオスミウムを蒸着させた。観察は走査型電子顕微鏡(JSM-7000F,JEOL社製)を用い、加速電圧は15.0kVとした。観察にはSecondary Electron Image(SEI)とTransmission Electron Diffraction(TED)モードを用いた。
b.XRD測定
硫酸ナトリウムの結晶構造を確認するためにX線回折装置(RINT1000,Rigaku社製)を用いて、X線回折パターンの測定をした。印加電圧40kV、印加電流40mV、測定範囲10〜70度、アタッチメント回転速度60rpmとした。
c.DSC測定
粒子の熱的特性を評価するために示差走査熱量計 (Thermo Plus DSC8230,Rigak社製)を用いた。吸熱および発熱量の測定範囲−40℃〜80℃、サイクル数3回、昇温・降温速度40℃/minの条件で測定を行った。また、測定は初め−40℃に冷却した状態から開始し80℃に降温した後再び−40℃まで冷却し行った。結果は特に言及の無い場合は3回目の測定結果を示す。
d.粘度測定
触媒種を変えた際の混合溶液を回転式粘度計(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製HAAKE Rheo Stress 6000)を用いて以下の条件で粘度を測定した。(せん断速度200〜800m/s、測定時間60s、コーンc20/Ti)
e.pH測定
APTS濃度を変えた条件において溶液のpHをpHメーター(METTLER TOLEDO, SevenGo pH meter SG2)を用いて測定した。
[Evaluation]
a. SEM
An observation sample was prepared by dispersing the dried particles in ethanol and dropping them on a microgrid. Then, osmium was vapor-deposited with OSMIUM PLASMA COATER OPC60A (Filgen). For the observation, a scanning electron microscope (JSM-7000F, manufactured by JEOL) was used, and the acceleration voltage was 15.0 kV. Secondary Electron Image (SEI) and Transmission Electron Diffraction (TED) modes were used for observation.
b. XRD measurement An X-ray diffraction pattern was measured using an X-ray diffractometer (RINT1000, manufactured by Rigaku) in order to confirm the crystal structure of sodium sulfate. The applied voltage was 40 kV, the applied current was 40 mV, the measurement range was 10 to 70 degrees, and the attachment rotation speed was 60 rpm.
c. A differential scanning calorimeter (Thermo Plus DSC8230, manufactured by Rigak) was used to evaluate the thermal characteristics of the DSC measurement particles. The measurement was carried out under the conditions of the endothermic and exothermic measurement ranges of -40°C to 80°C, the number of cycles of 3 and the rate of temperature increase/decrease of 40°C/min. Further, the measurement was started from a state of being initially cooled to -40°C, lowered to 80°C, and then cooled again to -40°C. The results show the results of the third measurement unless otherwise specified.
d. Viscosity Measurement The viscosity of the mixed solution when the catalyst species was changed was measured under the following conditions using a rotary viscometer (HAAKE Rheo Stress 6000 manufactured by Thermo Fisher Scientific). (Shear speed 200 to 800 m/s, measurement time 60 s, cone c20/Ti)
e. pH measurement
The pH of the solution was measured using a pH meter (METTLER TOLEDO, SevenGo pH meter SG2) under the condition that the APTS concentration was changed.

〔結果と考察〕
界面活性剤濃度の違いによる粒子径の影響を調べるためにAPTS量を0.70mLと固定し、界面活性剤であるSDSの濃度を変化させたときの粒子径や形態への影響を調べた。活性剤濃度は表3に示すように0.005〜0.04Mになるように調整した量を加えた。
図5に界面活性剤濃度を変えて合成した粒子のSEM画像を示す。また、(a)、(b)では50〜80nm程度の球形粒子が合成された事がわかった。(c)では微小な粒子が凝集した状態が観察された。SDS濃度が0.005Mの条件では粒子は得られなかった。
0.005Mにおいては、界面活性剤は希薄な状態でありミセルを形成する必要最低濃度である臨海ミセル濃度(cmc)に達していないためエマルジョンが形成されず、粒子が合成されなかったと考えられる。また、図5より界面活性剤濃度が増加するにつれて粒子径が減少していることがわかる。濃度が高い状態では、溶液中に存在する界面活性剤が多い状態なのでミセルの形成が容易である。そのため径の小さいエマルジョンにおいても濃度が低い系と比べて安定的に存在することが出来、粒子径も減少したと考えられる。
〔Results and discussion〕
In order to investigate the effect of the particle size due to the difference in the surfactant concentration, the amount of APTS was fixed at 0.70 mL, and the effect on the particle size and morphology when the concentration of SDS as the surfactant was changed was examined. The activator concentration was adjusted to 0.005 to 0.04 M as shown in Table 3 and added.
Fig. 5 shows SEM images of particles synthesized by changing the surfactant concentration. Further, it was found that spherical particles of about 50 to 80 nm were synthesized in (a) and (b). In (c), a state in which fine particles were aggregated was observed. No particles were obtained under the condition that the SDS concentration was 0.005M.
At 0.005M, the surfactant was in a dilute state and did not reach the critical micelle concentration (cmc), which is the minimum concentration required to form micelles, and therefore it is considered that no emulsion was formed and no particles were synthesized. Further, it can be seen from FIG. 5 that the particle size decreases as the surfactant concentration increases. When the concentration is high, micelles are easily formed because the amount of the surfactant present in the solution is large. Therefore, it can be considered that even in an emulsion having a small diameter, it can exist more stably than in a system having a low concentration, and the particle diameter is also reduced.

図6にDSC測定結果を示す。どの濃度においても30℃付近で硫酸ナトリウム10水和物の融解に起因するピークが観察された。SDS濃度の増加に伴い凝固点が上昇する傾向が観察された。凝固点の上昇は約−10℃〜10℃の範囲であった。
SEMおよびDSCの結果よりSDS濃度の増加に伴い、粒子径は減少する傾向にあるとわかった。また粒子径が減少するにつれて凝固点の上昇が観察された。粒子径が減少すると内部圧が大きくなるために結晶化が容易になったと考えられる。ヤング・ラプラスの式 (式1)より粒子径の大きさに反比例して内部圧が大きくなることが知られている。ここで、ΔPは内部圧Piと外部圧Pgの差であり、γは表面張力、rは粒子半径である。(式1)より粒子径の小さな試料ほど内部圧が大きくなり内部の状態は不安定である。そのため高い温度域でも結晶化し易いと考えられる。結果、粒子径の減少に伴い凝固点が増加したと考えられる。また、外的要因として周囲にシリカが存在しているため原料時と比べて核となるものが存在し核形成が容易になった可能性がある。
Figure 6 shows the DSC measurement results. A peak due to melting of sodium sulfate decahydrate was observed around 30° C. at any concentration. It was observed that the freezing point tended to increase with increasing SDS concentration. The increase in freezing point was in the range of about -10°C to 10°C.
From the results of SEM and DSC, it was found that the particle size tends to decrease as the SDS concentration increases. An increase in the freezing point was observed as the particle size decreased. It is considered that crystallization was facilitated because the internal pressure increased as the particle size decreased. It is known from the Young-Laplace equation (Equation 1) that the internal pressure increases in inverse proportion to the particle size. Here, ΔP is the difference between the internal pressure Pi and the external pressure Pg, γ is the surface tension, and r is the particle radius. According to (Equation 1), the smaller the particle size, the larger the internal pressure and the more unstable the internal state. Therefore, it is considered that crystallization is easy even in a high temperature range. As a result, it is considered that the freezing point increased as the particle size decreased. In addition, since silica is present as an external factor in the surroundings, there is a possibility that some nuclei exist and the nucleation is facilitated as compared with the case of the raw material.

界面活性剤がエマルジョンの安定化および粒子形成に与える影響を調査するために界面活性剤種を変化させ製造した。
図7に界面活性剤としてSpan80またTriton X-100を用いて合成した際の粒子のSEM画像を示す。Span 80を用いた系では、約180nm程の球形粒子が観察された。
TEDの結果からも粒子内部は一部空洞であり、硫酸ナトリウムと思われる物質が確認できる事から、SDSを用いた条件と同様にカプセル化された事が示唆された。しかし一方で、Triton X-100を用いて合成した系では、100〜200nm程度の球状粒子は観察できるが、TEDの結果より中実の粒子であることがわかる。そのためカプセル化された粒子は合成できていないことがわかった。図8にはDSC測定の結果を示す。Span 80を用いた系では昇温時には30℃付近に融解に起因する、降温時には0℃付近に凝固に起因するピークが確認できる。以上の結果よりSpan80を用いた系ではカプセル粒子を合成出来ることがわかった。
この界面活性剤の違いによる粒子形成の違いは、界面活性剤のHLB値によって説明される。HLB値とは、界面活性剤の親油性と親水性のバランスを表した値であり、グリフィン法により計算が可能である(式2)。
Different surfactant species were prepared to investigate the effect of surfactant on emulsion stabilization and particle formation.
FIG. 7 shows an SEM image of particles synthesized using Span 80 or Triton X-100 as a surfactant. In the system using Span 80, spherical particles of about 180 nm were observed.
The TED results also showed that the inside of the particles was partially hollow, and a substance thought to be sodium sulfate was confirmed, suggesting that the particles were encapsulated in the same manner as under the conditions using SDS. On the other hand, on the other hand, in the system synthesized using Triton X-100, spherical particles of about 100 to 200 nm can be observed, but it can be seen from the results of TED that the particles are solid particles. Therefore, it was found that the encapsulated particles could not be synthesized. FIG. 8 shows the result of DSC measurement. In the system using Span 80, a peak due to melting can be confirmed at around 30°C when the temperature is raised, and a peak due to solidification can be confirmed at around 0°C when the temperature is lowered. From the above results, it was found that capsule particles can be synthesized in the system using Span80.
The difference in particle formation due to the difference in the surfactant is explained by the HLB value of the surfactant. The HLB value is a value representing the balance between the lipophilicity and the hydrophilicity of the surfactant and can be calculated by the Griffin method (Equation 2).

式2より疎水基に対して親水基を多く持つ物質ほどHLB値は高く、疎水基を多く持つ物質はHLB値が低くなる。そのため一般的にHLB値が高い界面活性剤はO/Wエマルジョンの安定に寄与し、HLB値が低い活性剤はW/Oエマルジョンの安定に寄与するとされている。表7に今回使用した界面活性剤のHLB値を示す。表7からSpan 80はHLB値が低く親油性が高いことがわかる。そのためW/Oエマルジョンの安定化に寄与し粒子の形成がし易かったと考えられる。Triton X-100においてはHLB値が13.5と高いため親水性が高くエマルジョンが安定せず崩壊してしまったために中実の粒子が形成されたと考えられる。 According to Formula 2, a substance having more hydrophilic groups with respect to hydrophobic groups has a higher HLB value, and a substance having more hydrophobic groups has a lower HLB value. Therefore, it is generally said that a surfactant having a high HLB value contributes to the stability of an O/W emulsion, and an surfactant having a low HLB value contributes to the stability of a W/O emulsion. Table 7 shows the HLB values of the surfactants used this time. Table 7 shows that Span 80 has a low HLB value and high lipophilicity. Therefore, it is considered that the formation of particles was facilitated by contributing to the stabilization of the W/O emulsion. Since Triton X-100 has a high HLB value of 13.5, it has high hydrophilicity and the emulsion was unstable and collapsed, and it is considered that solid particles were formed.

APTS水溶液添加量を0.35、0.70、1.4、2.1、4.2mLに変化させて粒子の合成を行い、触媒濃度における粒子径や形態への影響を調べた。
図5に各濃度で合成した粒子のSEM画像を示す。図6には得られた粒子のXRD測定結果、図7にはDSCによる熱的特性評価の結果を示す。
図5より4.2mLを除く条件で50〜100nm程度の球状粒子が確認された。また、粒子形状はAPTS添加量による違いはなく、粒子径はAPTS添加量による一貫した傾向は認められなかった。一方で、4.2mLを加えた触媒濃度が高い系では粒子が確認できなかった。これは、触媒量が増加すると共に溶媒である水の量も増加するため、系全体の粘度が低下しエマルジョンが不安定化してしまうことが原因だと考えられる。粒子の確認できた条件において、TEDでは粒子の中央部分が透過した状態で観察された。これは、内部のNaSOが自身の結晶水により一部溶解したため、中空状態のように観察されたためだと考えられる。また1.4mLの条件で合成した粒子のように一部影が観察できるものがある。結晶水に融解せず内部に残存したNaSOだと考えられる。
また、XRD測定結果より触媒濃度によりピークの変化は観察されなかった。このことから触媒濃度は内部のNaSO・10HOの形成に影響を与えないと考えられる。
図7のDSCの測定より得られたすべての粒子で吸熱、放熱に起因するピークが観察された。またAPTSの増加に伴い凝固時の放熱ピークが減少していることがわかる。APTSが増加するにつれ粒子のシェル形成に寄与しないAPTS量も増加する。APTSはTEOSの塩基触媒として作用する。そのためコア表面以外でTEOSの加水分解および縮合重合反応が起こり、PCMをコアとしない中実の粒子生成量が増加することが予想される。結果、相対的に熱量が減少したのだと考えられる。
Particles were synthesized by changing the amount of APTS aqueous solution added to 0.35, 0.70, 1.4, 2.1, and 4.2 mL, and the influence of the catalyst concentration on the particle diameter and morphology was investigated.
Fig. 5 shows SEM images of particles synthesized at each concentration. FIG. 6 shows the XRD measurement result of the obtained particles, and FIG. 7 shows the result of thermal property evaluation by DSC.
From FIG. 5, spherical particles of about 50 to 100 nm were confirmed under the conditions except 4.2 mL. In addition, there was no difference in the particle shape depending on the amount of APTS added, and no consistent tendency was observed in the particle size depending on the amount of APTS added. On the other hand, particles could not be confirmed in the system in which 4.2 mL was added and the catalyst concentration was high. It is considered that this is because the amount of water, which is a solvent, increases as the amount of the catalyst increases, so that the viscosity of the entire system decreases and the emulsion becomes unstable. Under the conditions where particles could be confirmed, TED was observed with the central part of the particles being transmitted. It is considered that this is because Na 2 SO 4 inside was partially dissolved by its own water of crystallization, and was observed as a hollow state. There are some particles such as particles synthesized under the condition of 1.4 mL in which some shadows can be observed. It is considered that Na 2 SO 4 remained inside without being melted in water of crystallization.
From the XRD measurement results, no change in peak was observed depending on the catalyst concentration. From this, it is considered that the catalyst concentration does not influence the formation of Na 2 SO 4 .10H 2 O inside.
Peaks due to heat absorption and heat dissipation were observed in all the particles obtained by the DSC measurement in FIG. 7. It can also be seen that the heat release peak during solidification decreases with the increase in APTS. As APTS increases, the amount of APTS that does not contribute to particle shell formation also increases. APTS acts as a base catalyst for TEOS. Therefore, it is expected that TEOS will undergo hydrolysis and condensation polymerization reactions other than on the core surface, increasing the amount of solid particles not having PCM as the core. As a result, it is considered that the amount of heat decreased relatively.

界面活性剤種や触媒量を変えて様々な条件で粒子の合成が可能であることを確認した。ここで、潜熱蓄熱材内包粒子の形成メカニズムについて詳説する。本例では、TEOSの加水分解反応を利用してシリカをコーティングしている。その際にどのタイミングで加水分解が起こり、反応が進行するのかを調査した。本例において、APTS水溶液ではなくAPTS原料をそのまま加えることで、APTS水溶液中の水が反応に寄与しているのか、エマルジョン形成に用いられる水相中の水が寄与しているのかを調査した。
図9に合成した粒子のSEM像を示す。SEMの観察からごくわずかな中実粒子のみが観察された。その粒径は80〜100nm程度であり形状は球状の粒子であった。また観察された粒子量自体も少量であった。図10には今回合成した粒子とのAPTS水溶液0.70mLを添加して合成した粒子とのDSC測定の比較結果を示す。DSC測定では、昇温時に観察される32℃付近の硫酸ナトリウム10水和物の融解に起因する吸熱ピークを観察することは出来なかった。また0℃付近に小さなブロードしたピークが確認できる。これは乾燥時に除去しきれなかった残存水分が凝固したために現れたピークだと考えられる。このように今回の条件で得られた粒子は熱的特性を示さないという事を確認した。以上の結果から、TEOSの加水分解縮合重合反応は、主にAPTS水溶液中の水を反応源として進行していると推測できる。そのためAPTS原料を用いた系では、反応が十分に進行せず粒子量も少なくなったと考えられる。
It was confirmed that particles can be synthesized under various conditions by changing the surfactant species and the amount of catalyst. Here, the formation mechanism of the latent heat storage material-containing particles will be described in detail. In this example, silica is coated using the hydrolysis reaction of TEOS. At that time, it was investigated at what timing the hydrolysis occurred and the reaction proceeded. In this example, it was investigated whether the water in the APTS aqueous solution contributed to the reaction or the water in the water phase used for emulsion formation contributed by adding the APTS raw material as it was, instead of the APTS aqueous solution.
FIG. 9 shows an SEM image of the synthesized particles. From the SEM observation, only a few solid particles were observed. The particle size was about 80 to 100 nm, and the shape was spherical. The amount of particles observed was also small. FIG. 10 shows a comparison result of DSC measurement between the particles synthesized this time and the particles synthesized by adding 0.70 mL of an APTS aqueous solution. In the DSC measurement, the endothermic peak due to the melting of sodium sulfate decahydrate around 32° C. observed at the time of temperature rise could not be observed. In addition, a small broad peak can be confirmed near 0°C. This is considered to be a peak that appeared because residual water that could not be completely removed during drying solidified. Thus, it was confirmed that the particles obtained under the conditions of this time do not exhibit thermal characteristics. From the above results, it can be inferred that the hydrolysis-condensation polymerization reaction of TEOS mainly proceeds using water in the APTS aqueous solution as a reaction source. Therefore, it is considered that in the system using the APTS raw material, the reaction did not proceed sufficiently and the amount of particles decreased.

表8には各濃度のAPTS水溶液をエマルジョン形性溶液に0.70mL加えた際のpHをまとめたものを示す。また粒子形成の欄には、カプセル粒子が確認できたものに○、カプセル粒子、中実粒子とも確認できなかったものは×としている。中実粒子のみが観察されたものは△とした。表8の結果よりAPTS濃度が1wt%以下では、粒子形成がされなかったことがわかる。また、APTS濃度6wt%以上では粒子は形成されるがカプセル粒子は形成されず、中実粒子が形成された事がわかった。APTSとSDSはその静電的相互作用によってエマルジョン界面で反応すると考えられる。APTSに存在する正電荷のアミノプロピル基(−NH )と負電荷をもつSDS中の親水基(−SO )の相互作用により界面付近APTSが存在し易く反応が進行すると考えられる。APTS濃度が低い条件では、溶媒のpHは低くほぼ中性の値を示す。そのためAPTSが触媒として充分に作用せずTEOS加水分解、縮合重合反応が進行しなかったと考えられる。また、APTS濃度の高い条件では、pHは高くなる。アミノプロピル基のpKaは室温において約10.6の値を示し、pHが10.6以上となるとその解離平衡状態は非イオン型に傾く。そのため高pHでは、アミノプロピル基は電荷的に中性となりSDSとの静電的相互作用も弱まる。静電的相互作用が弱まることでAPTSがエマルジョン界面に集まらず、溶液全体に拡散してしまうためにカプセル粒子ではなく中実粒子が観察されたと考えられる。Tatsumi 等は、連続相としてエタノール、分散相に水、界面活性剤としてSDSを用いpHを2〜13の条件に設定しAPTS及びTEOSを加えメソポーラスシリカの合成条件について報告をしている。この報告では、pHが8以下の条件では加水分解が進行せず、pHが11以上では前述のように相互作用の減少によりシリカの形成が困難であるとしている。 Table 8 shows a summary of the pH when 0.70 mL of APTS aqueous solution of each concentration was added to the emulsion form solution. In the column of particle formation, “O” indicates that capsule particles were confirmed, and “X” indicates that neither capsule particles nor solid particles could be confirmed. The case where only solid particles were observed was marked with Δ. From the results in Table 8, it can be seen that no particles were formed when the APTS concentration was 1 wt% or less. Further, it was found that when the APTS concentration was 6 wt% or more, the solid particles were formed although the particles were formed but the capsule particles were not formed. APTS and SDS are believed to react at the emulsion interface due to their electrostatic interaction. Hydrophilic groups in the SDS having a negative charge as amino propyl positive charge (-NH 3 +) present in the APTS (-SO 3 -) is present near the interface APTS easily react by interaction is thought to proceed. Under the condition where the APTS concentration is low, the pH of the solvent is low and the value is almost neutral. Therefore, it is considered that APTS did not act sufficiently as a catalyst and TEOS hydrolysis and condensation polymerization reaction did not proceed. In addition, the pH becomes high under the condition of high APTS concentration. The pKa of the aminopropyl group shows a value of about 10.6 at room temperature, and the dissociation equilibrium of the aminopropyl group tends to the nonionic type when the pH becomes 10.6 or higher. Therefore, at high pH, the aminopropyl group becomes charge-neutral and the electrostatic interaction with SDS is weakened. It is considered that solid particles were observed instead of capsule particles because APTS did not collect at the emulsion interface and diffused throughout the solution due to weakened electrostatic interaction. Tatsumi et al. have reported the synthesis conditions of mesoporous silica by using ethanol as a continuous phase, water as a disperse phase, SDS as a surfactant, pH of 2 to 13 and adding APTS and TEOS. According to this report, hydrolysis does not proceed under conditions where the pH is 8 or less, and it is difficult to form silica when the pH is 11 or more due to the decreased interaction as described above.

24時間という合成時間を短縮するために、添加する触媒に着目し、TEOSの触媒として一般的に用いられるNHやアミノ基を多く持つ3−3ジアミノジプロピルアミンを用いて合成し、合成時間への影響を調査した。
図11にNHを加えて(a)12時間の条件で合成した粒子の SEM画像、図12には3−3’ジアミノジプロピルアミンを加えて(a)6時間、(b)12時間の条件で合成した粒子のSEM画像を示す。NHを加えた系では、撹拌時間6時間では生成物は観察されなかった。図9より撹拌時間12時間では中実の粒子が観察された。3−3’ジアミノジプロピルアミンを加えた系では、6、12時間いずれにおいても一部でカプセル粒子が凝集した状態が観察された。
図13に各エマルジョン溶液のせん断速度と粘度の関係を示した。3−3’ジアミノジプロピルアミンは両端と内部にアミノ基を有するためpHが増加しTEOSの加水分解、縮合重合反応がより促進されると考えられる。またNHでは、系全体の水量が増えてしまい粘度が低下するのに比べて3−3’ジアミノジプロピルアミンはそれ自体の粘度が大きいため、水溶液を加えても粘度は増加すると考えられる。結果としてエマルジョンの安定化につながりシリカが表面に堆積し易く短い反応時間でも粒子形成が可能になったと考えられる。
In order to shorten the synthesis time of 24 hours, we focused on the catalyst to be added and synthesized it using 3-3 diaminodipropylamine, which has many NH 3 and amino groups that are generally used as TEOS catalysts. Was investigated.
SEM images of the particles synthesized under the condition of (a) 12 hours by adding NH 3 in FIG. 11, and in FIG. 12 by adding 3-3′diaminodipropylamine (a) for 6 hours and (b) for 12 hours. The SEM image of the particle synthesize|combined on condition is shown. In the system in which NH 3 was added, no product was observed at a stirring time of 6 hours. From FIG. 9, solid particles were observed when the stirring time was 12 hours. In the system to which 3-3'diaminodipropylamine was added, a state in which the capsule particles partially aggregated was observed at both 6 and 12 hours.
FIG. 13 shows the relationship between the shear rate and the viscosity of each emulsion solution. Since 3-3'diaminodipropylamine has amino groups at both ends and inside, it is considered that the pH is increased and the hydrolysis and condensation polymerization reaction of TEOS are further promoted. Further, in NH 3 , the amount of water in the entire system increases and the viscosity decreases, whereas 3-3′diaminodipropylamine has a large viscosity itself, and therefore it is considered that the viscosity increases even when an aqueous solution is added. As a result, it is considered that the emulsion was stabilized and silica was likely to be deposited on the surface, and the particles could be formed even in a short reaction time.

シクロヘキサン溶媒中に硫酸ナトリウム水溶液を添加し、W/Oエマルジョンを形成させ、その表面をシリカでコーティングすることによりカプセル粒子を合成することに成功した。その粒子形成プロセスでは、界面活性剤濃度が主に粒径に影響を与えることが明らかになった。また、粒径の変化に伴い内部のPCMの凝固点が変化していることから粒径を制御することにより凝固点を制御することができる可能性が示唆された。また、界面活性剤のHLB値の違いによりW/Oエマルジョンの安定性への寄与が異なることから適切な界面活性剤の選択が必要であることが明らかとなった。粒子形成にかかる反応時間について触媒に3−3’ジアミノジプロピルアミンを用いることで18時間の短縮に成功した。その際には触媒が持つアミノ基(触媒能)と粘度が重要なファクターであることが示唆された。 We succeeded in synthesizing capsule particles by adding a sodium sulfate aqueous solution in a cyclohexane solvent to form a W/O emulsion and coating the surface with silica. It was revealed that the surfactant concentration mainly affects the particle size in the particle formation process. In addition, since the freezing point of PCM inside changes with the change of particle size, it is suggested that the freezing point can be controlled by controlling the particle size. Further, it has been clarified that it is necessary to select an appropriate surfactant because the contribution to the stability of the W/O emulsion varies depending on the difference in HLB value of the surfactant. Regarding the reaction time required for particle formation, 18 hours was successfully shortened by using 3-3'diaminodipropylamine as a catalyst. At that time, it was suggested that the amino group (catalytic ability) of the catalyst and the viscosity are important factors.

〔カプセル粒子の合成〕
本例では、シクロヘキサンを溶媒とし、硫酸ナトリウム水溶液をコアとした合成方法を用いた。界面活性剤濃度を変化させることで得られる粒子径を数10nmオーダーで制御し、さらに用いる触媒を工夫することで合成時間を16時間短縮することが可能であると明らかになった。しかし、数10nmオーダーでの粒子径制御は可能であるが、さらなる蓄熱性能の向上を目指した場合より大きな粒子が必要となる。Zhaoらの報告した方法では、水相は硫酸ナトリウム水溶液のみであるためエマルジョンは比較的不安定であり、より大きなエマルジョンを安定して形成するのは困難であると考えられる。蓄熱性能を向上させるためには、粒子径は同じでも内部に硫酸ナトリウムをより密に取り込む、粒子径を大きくし取り込む量を増やすなどの粒子設計が必要となる。本例では後者の粒子径を大きくし内包する硫酸ナトリウム量を増やす設計により蓄熱性能を向上させることを試みた。Seong-Geuh Ohらは分散相である水中にポリエチレングリコールなどの高分子を溶解させることでエマルジョンの安定性を高め3〜6μmの球状中空シリカ粒子の合成を報告している。そのため水相中に水溶性の高分子であるポリエチレングリコールを溶解させ、水溶液の粘度を調整しエマルジョンを安定化させ粒子サイズを増大化させることを試みた。これにより粒子自体のサイズも増大化し蓄熱性能の向上を期待することが出来る。また、ポリマー濃度を固定して水相中に加える硫酸ナトリウム濃度を変化させることで、粒子が合成できる条件を探った。水溶液中のポリマーのコアとしての働きおよびエマルジョンの安定性の向上への影響を確認するために水相中にポリマーを加えない条件で粒子合成を行い、ポリマーの有無による粒子形成への影響を考察した。また、硫酸ナトリウム水溶液濃度を50wt%に固定し、ポリマー濃度を変化させることで、ポリマーと硫酸ナトリウムとの相互作用による粒子内部への硫酸ナトリウムの内包量の向上および粒子形成への影響を検討した。
[Synthesis of capsule particles]
In this example, a synthesis method using cyclohexane as a solvent and an aqueous sodium sulfate solution as a core was used. It was revealed that it is possible to reduce the synthesis time by 16 hours by controlling the particle size obtained by changing the surfactant concentration on the order of several tens of nm and further devising a catalyst to be used. However, although it is possible to control the particle size on the order of several tens of nm, larger particles are needed than when aiming at further improvement in heat storage performance. According to the method reported by Zhao et al., it is considered that it is difficult to stably form a larger emulsion because the emulsion is relatively unstable because the aqueous phase is only the sodium sulfate aqueous solution. In order to improve the heat storage performance, it is necessary to design particles such that sodium sulfate is more densely incorporated into the inside even if the particle diameter is the same, or the particle diameter is increased to increase the amount of incorporation. In this example, an attempt was made to improve the heat storage performance by designing the latter by increasing the particle size and increasing the amount of contained sodium sulfate. Seong-Geuh Oh et al. reported the synthesis of spherical hollow silica particles of 3 to 6 μm in which the stability of the emulsion was improved by dissolving a polymer such as polyethylene glycol in water as a dispersed phase. Therefore, we tried to dissolve polyethylene glycol, which is a water-soluble polymer, in the aqueous phase, adjust the viscosity of the aqueous solution, stabilize the emulsion, and increase the particle size. As a result, the size of the particles themselves can be increased and the heat storage performance can be expected to improve. In addition, we investigated the conditions under which particles can be synthesized by fixing the polymer concentration and changing the concentration of sodium sulfate added to the aqueous phase. In order to confirm the effect of the polymer in the aqueous solution as the core and the effect on the stability of the emulsion, the particles were synthesized without adding the polymer to the aqueous phase, and the effect on the particle formation by the presence or absence of the polymer was considered. did. Further, by fixing the sodium sulfate aqueous solution concentration to 50 wt% and changing the polymer concentration, the effect of the interaction between the polymer and sodium sulfate on the improvement of the inclusion amount of sodium sulfate inside the particles and the influence on the particle formation were examined. ..

〔原料〕
コア生成としてポリエチレングリコール(PEG)(重合度 20000, 和光純薬工業社)、25%アンモニア水(和光純薬工業社)、硫酸ナトリウム10水和物(和光純薬工業社)を用いた。また水溶性界面活性剤としてポリオキシエチレンソルビタンモノラウラート(Tween 20)、油相として1−オクタノール(和光純薬工業社)、増粘剤としてヒドロキシプロピルセルロース(HPC)(和光純薬工業社)、油溶性界面活性剤としてソルビタンモノオレアート(Span 80)(東京化成工業社)を用いた。シリカ前駆体としてオルトケイ酸テトラエチル(TEOS) (和光純薬工業社)を用いた。
〔material〕
Polyethylene glycol (PEG) (degree of polymerization 20000, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 25% ammonia water (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and sodium sulfate decahydrate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were used for core formation. In addition, polyoxyethylene sorbitan monolaurate (Tween 20) as a water-soluble surfactant, 1-octanol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as an oil phase, hydroxypropyl cellulose (HPC) as a thickener (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) As the oil-soluble surfactant, sorbitan monooleate (Span 80) (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used. Tetraethyl orthosilicate (TEOS) (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as a silica precursor.

〔製造方法〕
分散相である水中に高分子を溶解させることでエマルジョンの安定性を高め3〜6μmの球状中空シリカ粒子の合成が報告されている。
オクタノールにHPCを加え、ホットスターラーを用いて80℃で4時間撹拌し溶解させた後、室温まで冷却しSpan 80を加え40℃で撹拌を行った。別の容器において、水中にPEGを加え溶解させた後、Tween 20を加え20分撹拌を行った。次いでアンモニア水を加えこれを水相とした。この水相溶液を40℃で撹拌した状態の油相中に水相:油相の体積比が1:9になるように滴下した。30分撹拌した後、自動滴下装置を用いてTEOSを30μL/minの条件で滴下した。
14時間撹拌し粒子を合成した。反応終了後遠心分離を行い、エタノールで三回洗浄を行った。硫酸ナトリウム10水和物は室温で空気中に放置すると風解してしまう。そのため、洗浄後10℃で一晩乾燥し粒子を得た。図14に蓄熱材として用いる硫酸ナトリウム10水和物の水溶液濃度を変えて合成した際の手順を示す。蓄熱材である硫酸ナトリウム水溶液が水相に対して10、50、100wt%になるように加えた。表9には油相、水相での用いた試薬の組成を示す。図15には水相中にポリマーを加えず合成した手順を示す。表9には用いた試薬の組成を示す。図16にPEGの分子量および濃度を変えて合成した際の手順を示す。また表10に変更した組成を示す。
〔Production method〕
It has been reported that a polymer is dissolved in water as a dispersed phase to enhance the stability of the emulsion and to synthesize spherical hollow silica particles of 3 to 6 μm.
HPC was added to octanol, and the mixture was stirred and dissolved at 80° C. for 4 hours using a hot stirrer, dissolved, cooled to room temperature, Span 80 was added, and the mixture was stirred at 40° C. In another container, PEG was added and dissolved in water, Tween 20 was added, and the mixture was stirred for 20 minutes. Then, aqueous ammonia was added to form an aqueous phase. This aqueous phase solution was added dropwise to the oil phase stirred at 40° C. so that the volume ratio of aqueous phase:oil phase was 1:9. After stirring for 30 minutes, TEOS was added dropwise at 30 μL/min using an automatic dropping device.
The particles were synthesized by stirring for 14 hours. After completion of the reaction, centrifugation was performed and washing with ethanol was performed three times. Sodium sulphate decahydrate becomes volatile when left in air at room temperature. Therefore, after washing, it was dried overnight at 10° C. to obtain particles. FIG. 14 shows a procedure for synthesizing sodium sulfate decahydrate used as a heat storage material by changing the aqueous solution concentration. An aqueous solution of sodium sulfate as a heat storage material was added so as to be 10, 50, 100 wt% with respect to the aqueous phase. Table 9 shows the composition of the reagents used in the oil phase and the water phase. FIG. 15 shows the procedure of synthesis without adding a polymer in the aqueous phase. Table 9 shows the composition of the reagents used. FIG. 16 shows the procedure for synthesizing PEG by changing its molecular weight and concentration. Table 10 shows the changed composition.

〔評価〕
a.SEM
乾燥させた粒子を、カーボンテープを貼った真鍮製の試料台に固定することで観察試料を作製した。その後、OSMIUM PLASMA COATER OPC60A(フィルジェン社)によりオスミウムを蒸着させた。観察は走査型電子顕微鏡(JSM-7000F,JEOL社製)を用い、加速電圧は15.0kVとした。観察にはSecondary Electron Image(SEI)モードを用いた。
b.XRD測定
硫酸ナトリウムの結晶構造を確認するためにX線回折装置(RINT1000, Rigaku社製)を用いて、X線回折パターンの測定をした。印加電圧40kV、印加電流40mV、測定範囲10〜70度、アタッチメント回転速度60rpmとした。
c.DSC測定
粒子の熱的特性を評価するために示差走査熱量計(Thermo Plus DSC8230,Rigak社製)を用いた。吸熱および発熱量の測定範囲−40℃〜80℃、サイクル数3回、昇温・降温速度10℃/minの条件で測定を行った。また、測定は初め−40℃に冷却した状態から開始し、80℃に昇温した後再び−40℃まで冷却し行った。結果は特に言及の無い場合は3回目の測定結果を示す。
d.ラマン分光法
作製した粒子において硫酸ナトリウム10水和物の存在を確認するためにレーザーラマン分光光度計(日本分光社製 NRS-3100)を用いてラマンスペクトルを測定した。対物レンズには倍率100倍のレンズ、励起レーザーには波長532.0nmの緑色レーザー光を用い、露光時間5秒、レーザー出力4〜6W、積算回数を16回とした。
e.TG測定
ポリマー内部に内包されている硫酸ナトリウム量を定量するため、エマルジョン水溶液中にヘキサンを適量加え溶解したPEGとその内部に取り込まれた硫酸ナトリウムを析出させた。その後試料を10℃で一晩乾燥させた。乾燥後試料を10℃/minで1000℃まで加熱し、TG測定を行った。
[Evaluation]
a. SEM
An observation sample was prepared by fixing the dried particles to a brass sample stand to which a carbon tape was attached. Then, osmium was vapor-deposited by OSMIUM PLASMA COATER OPC60A (Filgen). For the observation, a scanning electron microscope (JSM-7000F, manufactured by JEOL) was used, and the acceleration voltage was 15.0 kV. Secondary Electron Image (SEI) mode was used for observation.
b. XRD measurement An X-ray diffraction pattern was measured using an X-ray diffractometer (RINT1000, manufactured by Rigaku) in order to confirm the crystal structure of sodium sulfate. The applied voltage was 40 kV, the applied current was 40 mV, the measurement range was 10 to 70 degrees, and the attachment rotation speed was 60 rpm.
c. A differential scanning calorimeter (Thermo Plus DSC8230, manufactured by Rigak) was used to evaluate the thermal characteristics of the DSC measurement particles. The measurement was performed under the conditions of measurement range of endotherm and calorific value of −40° C. to 80° C., three cycles, and temperature rising/falling rate 10° C./min. Further, the measurement was started from a state of being initially cooled to -40°C, and after being heated to 80°C, it was cooled to -40°C again. The results show the results of the third measurement unless otherwise specified.
d. Raman spectroscopy The Raman spectrum was measured using a laser Raman spectrophotometer (NRS-3100 manufactured by JASCO Corporation) in order to confirm the presence of sodium sulfate decahydrate in the produced particles. A lens having a magnification of 100 times was used as an objective lens, a green laser beam having a wavelength of 532.0 nm was used as an excitation laser, an exposure time was 5 seconds, a laser output was 4 to 6 W, and the number of integration was 16 times.
e. TG measurement In order to quantify the amount of sodium sulfate encapsulated in the polymer, PEG dissolved in an appropriate amount of hexane and the dissolved sodium sulfate incorporated therein were precipitated in an aqueous emulsion solution. The sample was then dried overnight at 10°C. After drying, the sample was heated at 10° C./min to 1000° C., and TG measurement was performed.

〔結果と考察〕
図17に硫酸ナトリウム水溶液量10、50、100wt%の条件で作製した粒子のSEM画像を示す。SEMによる観察の結果では、10%加えた系でのみ粒子を観察することが出来た。観察された粒子は粒径約3μmの球状粒子であり表面は滑らかなものであった。また、球状粒子以外は観察されなかった。50%の系では、微小粒子が球状粒子のミセルを形成し、崩壊した様な状態が観察された。また、外部(矢印部)には、数μm程度の生成物が確認された。これは、硫酸ナトリウムと考えられる。そのためシリカシェルと硫酸ナトリウムが別々に生成していると考えられる。100%の系では、10%の系に観察されるような球状粒子は観察されず、50%の系で観察された様な数μmの生成物が観察された。図18にXRD(X線解析)測定結果を示す。XRDでの測定では全てのサンプルで硫酸ナトリウムのピークが観察された。10wt%条件では、内部に硫酸ナトリウムが内包されていることが示唆された。50、100wt%条件では粒子が形成されずに外部に析出している硫酸ナトリウムが検出されていると考えられる。また、20〜30度にかけてブロードなピークが観察されたことから非晶質のシリカが生成したことがわかる。他の濃度と比較して10%においては硫酸ナトリウムに起因するピークは減少している。これは、他の系と比較しシリカ粒子の形成が確認されているため相対的に硫酸ナトリウム濃度は低くなり、ピークが減少したと考えられる。
図19には作製した試料のDSC(示差走査熱量測定)結果を示す。10%の試料では硫酸ナトリウムの50℃付近に融解、38℃付近に凝固に起因する吸放熱ピークが観察された。一方で50、100%の系では、ピークは観察されなかった。
〔Results and discussion〕
FIG. 17 shows SEM images of particles produced under the conditions of the sodium sulfate aqueous solution amount of 10, 50, and 100 wt %. As a result of observation by SEM, particles could be observed only in the system in which 10% was added. The particles observed were spherical particles having a particle size of about 3 μm, and the surface was smooth. In addition, nothing other than spherical particles was observed. In the 50% system, it was observed that the microparticles formed spherical micelles and collapsed. In addition, a product having a size of several μm was confirmed outside (arrow portion). It is considered sodium sulfate. Therefore, it is considered that the silica shell and sodium sulfate are separately generated. In the 100% system, spherical particles as observed in the 10% system were not observed, and a product of several μm as observed in the 50% system was observed. FIG. 18 shows the XRD (X-ray analysis) measurement result. A peak of sodium sulfate was observed in all samples by XRD measurement. It was suggested that sodium sulfate was encapsulated inside under the condition of 10 wt %. It is considered that under the conditions of 50 and 100 wt %, particles of sodium sulfate were not formed and the sodium sulfate precipitated outside was detected. Further, a broad peak was observed from 20 to 30 degrees, which shows that amorphous silica was produced. At 10%, the peaks due to sodium sulfate are reduced compared to the other concentrations. This is considered to be because the concentration of sodium sulfate was relatively low and the peak was decreased because the formation of silica particles was confirmed as compared with other systems.
FIG. 19 shows the DSC (differential scanning calorimetry) results of the prepared sample. In the 10% sample, melting and melting peaks of sodium sulfate at around 50° C. and absorption and heat radiation peaks at around 38° C. due to solidification were observed. On the other hand, no peak was observed in the 50 and 100% systems.

図20には硫酸ナトリウム10%の条件で合成した粒子の繰り返し測定結果を示す。また、図21には繰り返し測定から得られた吸熱量とサイクル数の関係を示す。図20より連続測定を行った際にも蓄熱量に大きな変化は見られないことがわかった。また、一サイクル目と二サイクル目以降では、僅かにピーク位置がシフトしている。初め硫酸ナトリウム結晶は粒子内部にランダムな状態で析出しており結晶化が不完全な状態であると考えられる。しかし、融解・凝固を繰り返すことで粒子内部での結晶状態が整い安定化するため二回目以降ではピークシフトが生じないと考えられる。図21からサイクルを重ねても吸熱量はほぼ安定している。このことから硫酸ナトウリム濃度を10%の条件において、安定した熱的特性を示すPCM内包カプセル粒子を合成出来る事がわかった。 FIG. 20 shows the results of repeated measurement of particles synthesized under the condition of 10% sodium sulfate. Further, FIG. 21 shows the relationship between the amount of heat absorption and the number of cycles obtained from repeated measurements. It was found from FIG. 20 that no large change was observed in the amount of stored heat even when continuous measurement was performed. Further, the peak positions are slightly shifted in the first cycle and the second cycle and thereafter. Initially, sodium sulfate crystals were randomly deposited inside the particles, and it is considered that crystallization is incomplete. However, it is considered that the peak shift does not occur from the second time onward because the crystalline state inside the particles is aligned and stabilized by repeating melting and solidification. From FIG. 21, the heat absorption amount is almost stable even if the cycle is repeated. From this, it was found that PCM-encapsulating capsule particles exhibiting stable thermal characteristics can be synthesized under the condition of sodium nitrite sulfate concentration of 10%.

PEGが粒子合成や蓄熱性能に及ぼす影響の有無を検討するためにポリマー無添加系において影響を検討した。図22にSEM画像を示す。SEMでの観察から数μm〜10μm程度のシェルが崩壊した粒子が観察された。図22に示すように粒子形成が完全には進まずシリカコーティングに部分的に穴が空いたような状態が観察された。コアとなるPEGが無添加の状態では、水相中の粘度が低いと考えられる。そのためPEG無添加状態ではエマルジョン界面は非常に不安定であり、図23に示すような状態であると考えられる。粘度が大きくエマルジョンが安定した状態では図23−Aのように水中に拡散する溶媒は界面においても安定して存在することができる。しかしPEG無添加条件では、添加条件と比べて粘度が小さく界面が不安定であり図23−Bのように界面付近で拡散した上程である。そのためTEOSとの反応が進行しシリカシェルを形成してもエマルジョン全体を覆うに至らず、孔ができシェルが崩壊したような状態になったのだと考えられる。このことからPEGを加えた系と比較してシリカがコーティングし難く図22に示すような状態が観察されたと考えられる。
図24にはPEG無添加条件での試料と合成した硫酸ナトリウム水溶液10%の条件で合成した粒子のDSC測定における比較を示す。図24からもわかるようにPEG無添加条件では、吸熱ピークを確認することは出来なかった。これはSEMでの観察結果とも一致しておりPEG無添加の条件ではNaSOが存在していない事がわかる。以上の結果から水相中に溶解したポリマーは粒子形成時のコアとして重要な役割を持ちカプセル粒子の形成には不可欠なファクターの一つである事が明らかとなったといえる。
In order to examine whether or not PEG has an effect on particle synthesis and heat storage performance, the effect was examined in a polymer-free system. FIG. 22 shows an SEM image. From the observation with SEM, particles in which the shell of several μm to 10 μm collapsed were observed. As shown in FIG. 22, it was observed that the particle formation did not proceed completely and the silica coating had some holes. It is considered that the viscosity in the aqueous phase is low when the core PEG is not added. Therefore, the emulsion interface is very unstable in the PEG-free state, and it is considered that the state is as shown in FIG. In the state where the viscosity is large and the emulsion is stable, the solvent that diffuses in water as shown in FIG. 23-A can exist stably even at the interface. However, under the PEG-free condition, the viscosity was small and the interface was unstable as compared with the adding condition, and as shown in FIG. Therefore, it is considered that even if the reaction with TEOS proceeded and a silica shell was formed, it did not cover the entire emulsion, and pores were created and the shell collapsed. From this, it is considered that the coating with silica was difficult and the state as shown in FIG. 22 was observed as compared with the system to which PEG was added.
FIG. 24 shows a comparison in DSC measurement of the sample synthesized without adding PEG and the particles synthesized under the condition of 10% aqueous sodium sulfate solution synthesized. As can be seen from FIG. 24, no endothermic peak could be confirmed under the PEG-free condition. This is in agreement with the observation result by SEM, and it can be seen that Na 2 SO 4 does not exist under the condition that PEG is not added. From the above results, it can be said that the polymer dissolved in the aqueous phase plays an important role as a core during particle formation and is one of the indispensable factors for the formation of capsule particles.

このように、硫酸ナトリウム水溶液10wt%の条件において蓄熱材内包粒子が合成できることが明らかになった。しかし、蓄熱性能をより向上させるためには内部の硫酸ナトリウム量を増やすなどの工夫が求められる。そこで、硫酸ナトリウム水溶液濃度を50wt%とし、PEG濃度を増加させることで粒子内部への硫酸ナトリウムの取り込み量を増やすことを試みた。図25にPEGの分子量20000を用いた系において加えるPEG濃度を3.0、6.0、7.5、9.0wt%と変化させて合成した粒子のSEM画像を示す。PEGの濃度が6.0wt%では粒子が完全に形成できていない様子が観察された。この様子は他の濃度では観察されなかった。6wt%では、コアに十分な安定性が無く、シリカ粒子がコア表面に堆積し難く14時間という反応時間では完全には粒子を形成できなかったのではないかと考えられる。また、他の濃度では、粒子が観察されその粒子サイズに違いはなかった。
図26に3.0、7.5、9.0wt%の条件で合成した粒子のEDS画像を示す。これより粒子はシリカ粒子であることがわかった。また同様にNaのマッピングがシリカ粒子上に確認できることから内部に硫酸ナトリウムが存在していると考えられ、カプセル粒子となっている可能性が示唆された。しかし、EDSの結果からだけでは硫酸ナトリウムが粒子外部に存在するのか内部に存在しているのか議論することは難しく結論付けることはできない。また図27にラマン分光法測定の結果を示す。硫酸ナトリウムにおけるラマン分光法測定では990cm−1付近に硫酸イオンの全対称伸縮振動に帰属するピークが現れる事が知られている。測定結果よりどの濃度においても硫酸イオンの振動に由来するピークが観察され、試料中に硫酸ナトリウムが存在していることがわかった。SEM等の観察で粒子の存在が確認されなかった6wt%の系にも同様にピークが観察された。外部に析出した硫酸ナトリウムが洗浄操作で完全に除去されず試料中に残存したためだと考えられる。また、それぞれのピーク強度は7.5wt>6wt≧9wt>3wtの順に強い結果となった。ラマンスペクトルにおいてピーク強度を定義する強度パラメーターI は(式 3)によって表される。
As described above, it was revealed that the heat storage material-containing particles can be synthesized under the condition of the sodium sulfate aqueous solution of 10 wt %. However, in order to further improve the heat storage performance, it is necessary to take measures such as increasing the amount of sodium sulfate inside. Therefore, an attempt was made to increase the amount of sodium sulfate taken into the particles by increasing the PEG concentration by setting the sodium sulfate aqueous solution concentration to 50 wt %. FIG. 25 shows SEM images of particles synthesized by changing the PEG concentration added to 3.0, 6.0, 7.5, and 9.0 wt% in a system using a molecular weight of PEG of 20000. At a PEG concentration of 6.0 wt %, it was observed that particles could not be completely formed. This behavior was not observed at other concentrations. At 6 wt %, it is considered that the core did not have sufficient stability, silica particles were hard to deposit on the core surface, and the particles could not be completely formed within the reaction time of 14 hours. At other concentrations, particles were observed and there was no difference in their particle size.
FIG. 26 shows EDS images of particles synthesized under the conditions of 3.0, 7.5 and 9.0 wt %. From this, it was found that the particles were silica particles. Similarly, since the mapping of Na can be confirmed on the silica particles, it is considered that sodium sulfate is present inside, and it is suggested that the particles may be capsule particles. However, it is difficult to conclude whether the sodium sulfate exists outside or inside the particle, and it cannot be concluded from the EDS results alone. 27 shows the result of Raman spectroscopy measurement. It is known that a peak attributed to the all-symmetric stretching vibration of sulfate ion appears near 990 cm −1 in Raman spectroscopy measurement with sodium sulfate. From the measurement results, a peak derived from the vibration of sulfate ion was observed at any concentration, and it was found that sodium sulfate was present in the sample. A peak was similarly observed in the 6 wt% system in which the presence of particles was not confirmed by observation with SEM or the like. It is considered that the sodium sulfate deposited outside was not completely removed by the washing operation and remained in the sample. Further, the respective peak intensities became strong in the order of 7.5 wt>6 wt≧9 wt>3 wt. The intensity parameter I, which defines the peak intensity in the Raman spectrum, is represented by (Equation 3).

ここにIは入射レーザー光強度、T(ν)は分光器の透過度、νは散乱光の振動数、A(ν)は試料による吸収強度、α(ν)はKramers-Heisenberg-Diracの分散式で表される分極率、cは試料濃度である。I、T(ν)、ν、A(ν)は試料により一定値であるのでIは試料濃度cに比例することになる。そのため一般的にはラマン分光法を用いて粒子中の硫酸ナトリウムを定量的に評価することが可能であると考えられる。しかし本例においては粒子が形成されていない6.0wt%の条件においてラマンスペクトル強度が高く測定された。本来粒子が形成されていない条件ではスペクトル強度は減少すると予想される。前述のようにラマンスペクトル強度は測定試料の濃度に依存する。粒子形成がされない6.0wt%の試料においては、粒子が確認できる系と比較して試料中に存在するシリカ量が少ない事が考えられる。そのため相対的に試料中の硫酸ナトリウム量は多くなり先の様な強度の大小として観察されたと考えられる。 Where I 0 is the incident laser light intensity, T(ν) is the transmittance of the spectroscope, ν is the scattered light frequency, A(ν) is the absorption intensity by the sample, and α(ν) is the Kramers-Heisenberg-Dirac The polarizability expressed by the dispersion formula, and c is the sample concentration. Since I 0 , T(ν), ν, and A(ν) are constant values depending on the sample, I is proportional to the sample concentration c. Therefore, it is generally considered possible to quantitatively evaluate sodium sulfate in particles using Raman spectroscopy. However, in this example, the Raman spectrum intensity was measured high under the condition of 6.0 wt% in which particles were not formed. The spectral intensity is expected to decrease under the condition that no particles are originally formed. As described above, the Raman spectrum intensity depends on the concentration of the measurement sample. In the 6.0 wt% sample in which particles are not formed, it is considered that the amount of silica present in the sample is smaller than that in the system in which particles can be confirmed. Therefore, it is considered that the amount of sodium sulfate in the sample was relatively large and the strength was observed as described above.

エマルジョン溶液にヘキサンを添加し内部に硫酸ナトリウムを内包した状態でPEGを析出させた。図28にはここで得られた試料のTG測定の結果を示す。本例の目的としてはPEG濃度の違いによって硫酸ナトリウムがどれほど粒子内部に取り込まれるか、その違いを定量化することにある。図28よりどの濃度においても300℃付近から重量減少が始まり400℃付近で重量はほぼ一定となった。そのため300℃付近よりPEGの熱分解が始まりおよそ400℃で完全に分解したと考えられる。この結果よりPEGの重量に対してどれだけの硫酸ナトリウムが取り込まれているのかがわかる。PEG7.5、3.0wt%の条件では重量減少率はそれぞれ57.1、58.2%とほぼ同じである。また、9wt%では、88.7%、6.0wt%では、93.7%であった。このことから粒子形成が確認出来ない6wt%においてもエマルジョン形性時には少量ではあるが硫酸ナトリウムが内部に取り込まれている事が示唆された。
図29には6.0wt%を除く粒子のDSC測定結果を示した。図29より測定したサンプル全てで吸放熱によるピークを確認することが出来た。また吸放熱量は 図28との結果と相関しており内部への硫酸ナトリウムの取り込み量が大きい粒子ほど高い蓄熱性を示した。つまりPEG7.5、3.0wt%の条件では、内部への取り込み量に差はなく蓄熱量にも大きな差は認められなかった。9.0wt%では他の濃度条件と比べて内部への取り込み量が少なく蓄熱量も大きく低下している。以上の結果から水相に用いるPEG濃度の違いによって蓄熱材である硫酸ナトリウムの内部への取り込み量には違いがあることが明らかとなった。
Hexane was added to the emulsion solution, and PEG was deposited while sodium sulfate was included inside. FIG. 28 shows the result of TG measurement of the sample obtained here. The purpose of this example is to quantify the difference in the amount of sodium sulfate incorporated inside the particles due to the difference in PEG concentration. From FIG. 28, at any concentration, the weight reduction started near 300° C. and the weight became almost constant near 400° C. Therefore, it is considered that the thermal decomposition of PEG started at around 300°C and was completely decomposed at about 400°C. This result shows how much sodium sulfate is incorporated with respect to the weight of PEG. Under the conditions of PEG 7.5 and 3.0 wt %, the weight reduction rates are almost the same as 57.1 and 58.2%, respectively. Further, it was 88.7% at 9 wt% and 93.7% at 6.0 wt%. From this, it was suggested that even at 6 wt% where particle formation could not be confirmed, a small amount of sodium sulfate was incorporated inside the emulsion form.
FIG. 29 shows the DSC measurement result of particles excluding 6.0 wt %. From FIG. 29, it was possible to confirm the peak due to heat absorption and heat dissipation in all the measured samples. The amount of heat absorption and heat release was correlated with the result shown in FIG. 28, and particles having a larger amount of sodium sulfate incorporated therein showed higher heat storage properties. That is, under the conditions of PEG 7.5 and 3.0 wt %, there was no difference in the amount taken into the interior and no significant difference was found in the amount of heat storage. At 9.0 wt %, the amount of incorporation into the inside is small and the amount of heat storage is greatly reduced compared to the other concentration conditions. From the above results, it was clarified that the amount of sodium sulfate, which is a heat storage material, taken in was different depending on the difference in PEG concentration used in the aqueous phase.

PEGの濃度が増加することによって硫酸ナトリウムとの相互作用が増加すると考えられる。そのため内部のPEGが増加するにつれて取り込まれる硫酸ナトリウムも増えると考えられる。しかし、本例の結果では濃度の小さい3wt%の条件において濃度の高い9wt%よりも高い蓄熱性能を示した。PEG濃度が増加するにつれて粒子内部におけるPEGの占める体積割合は大きくなる。そのため相互作用が強くなることに反して硫酸ナトリウムが内部に取り込まれ難い状態になっていると予想される。そのため、一定濃度以上のPEGが存在することにより内部に取り込まれる硫酸ナトリウム量は減少し、蓄熱性能が低下したように見られたと考えられる(図30参照)。 It is believed that increasing the concentration of PEG increases its interaction with sodium sulfate. Therefore, it is considered that the sodium sulphate incorporated increases as the internal PEG increases. However, the result of this example shows that the heat storage performance is higher under the condition of low concentration of 3 wt% than that of high concentration of 9 wt %. The volume ratio of PEG inside the particles increases as the PEG concentration increases. Therefore, it is expected that sodium sulfate will be difficult to be taken into the inside, while the interaction becomes stronger. Therefore, it is considered that the amount of sodium sulfate taken in by the presence of PEG at a certain concentration or more decreased, and the heat storage performance seemed to deteriorate (see FIG. 30).

水相中に水溶性の高分子を溶解させ、水溶液の粘度を上げると共に溶解した高分子を一種のコアとして利用することにより、5〜6μm程度の蓄熱材内包粒子を合成することに成功した。硫酸ナトリウム10wt%の条件で合成した粒子は数回の測定で蓄熱量に大きな変化はなく、安定した性能を示すことが明らかになった。また、ポリマー濃度を変化せることで蓄熱量に変化が見られたことからポリマーと硫酸ナトリウムの相互作用の変化により粒子内部への硫酸ナトリウムの内包量をある程度制御できることが示唆された。 By dissolving a water-soluble polymer in the aqueous phase, increasing the viscosity of the aqueous solution, and using the dissolved polymer as a kind of core, we succeeded in synthesizing particles having a heat storage material size of about 5 to 6 μm. It was revealed that the particles synthesized under the condition of 10 wt% of sodium sulfate showed stable performance without a large change in the amount of heat storage after several measurements. In addition, it was suggested that the amount of stored sodium sulfate inside the particles could be controlled to some extent by changing the interaction between the polymer and sodium sulfate, as the amount of heat storage changed by changing the polymer concentration.

〔カプセル粒子の合成〕
前記の通り、水溶液中に水溶性の高分子を溶解させ溶解した高分子をコアとして利用することにより蓄熱材を内部に内包したカプセル粒子が合成できることがわかった。また粒子内部に取り込まれる硫酸ナトリウムの量についてポリマーと硫酸ナトリウムとの相互作用が関係していることが示唆された。高分子としてPEGを用いたが既研究では、ポリアクリル酸(PAA)をコアとしてシリカ中空ナノ粒子の合成に成功したという報告がなされている。そこで本例では、種々のポリマーを用いて同様にカプセル粒子を合成し、その相互作用の違いを利用することで熱的特性のさらなる向上を目指した。また、エマルジョンの安定性や粒子形成への影響を調査し、その熱的特性を評価することにより本プロセスの適用の広汎性を調査した。
高分子鎖にヒドロキシ基やカルボキシ基などを持つ高分子を用いることでその静電的相互作用の違いによる硫酸ナトリウムの内包挙動の違いについて検討した。
[Synthesis of capsule particles]
As described above, it was found that a capsule particle containing a heat storage material therein can be synthesized by dissolving a water-soluble polymer in an aqueous solution and using the dissolved polymer as a core. It was also suggested that the interaction between the polymer and sodium sulfate is related to the amount of sodium sulfate incorporated inside the particles. Although PEG was used as the polymer, it has been reported in the previous research that the hollow silica nanoparticles were successfully synthesized with polyacrylic acid (PAA) as the core. Therefore, in this example, capsule particles were similarly synthesized using various polymers, and the difference in their interaction was utilized to further improve the thermal characteristics. We also investigated the effect of emulsion on stability and particle formation, and evaluated its thermal characteristics to investigate the pervasiveness of application of this process.
The difference in the encapsulation behavior of sodium sulphate due to the difference in the electrostatic interaction was investigated by using the polymer having hydroxy group or carboxy group in the polymer chain.

〔原料〕
図31に各ポリマーの構造を示す。
〔material〕
FIG. 31 shows the structure of each polymer.

〔製造方法〕
オクタノールにHPCを加え80℃で4時間撹拌し完全に溶解させた後、室温まで冷却しSpan 80を加え40℃で撹拌を行った。別の容器において、水中にPAA、PVA、PVP、PEIをそれぞれ加え溶解させた後、Teen 20を加え20分撹拌を行った。次いでアンモニア水を加え水相とした。この水相溶液を40℃で撹拌した状態の油層中に水相:油相が 1:9になるように添加した。30分撹拌した後粒子を作製した。反応終了後遠心分離を行い、エタノールで三回洗浄を行った。洗浄後10℃で一晩乾燥し粒子を得た。
図32に合成フローチャートを示す。表11にその際の試薬組成を示す。前例結果よりポリマー濃度は全て7.5wt%とした。
〔Production method〕
After adding HPC to octanol and stirring at 80° C. for 4 hours to completely dissolve it, the mixture was cooled to room temperature, Span 80 was added, and the mixture was stirred at 40° C. In another container, PAA, PVA, PVP, and PEI were added to water and dissolved, respectively, and then Teen 20 was added and stirred for 20 minutes. Then, aqueous ammonia was added to form an aqueous phase. This aqueous phase solution was added to the oil layer in a state of being stirred at 40° C. so that the ratio of water phase:oil phase was 1:9. Particles were prepared after stirring for 30 minutes. After completion of the reaction, centrifugation was performed and washing with ethanol was performed three times. After washing, it was dried overnight at 10° C. to obtain particles.
FIG. 32 shows a synthesis flowchart. Table 11 shows the reagent composition in that case. From the results of the previous example, the polymer concentrations were all set to 7.5 wt %.

〔評価〕
a.SEM
乾燥させた粒子を、カーボンテープを貼った真鍮製の試料台に固定することで観察試料を作製した。その後、OSMIUM PLASMA COATER OPC60A(フィルジェン社)によりオスミウムを蒸着させた。観察は走査型電子顕微鏡(JSM-7000F,JEOL社製)を用い、加速電圧は15.0kVとした。観察にはSecondary Electron Image(SEI)モードを用いた。
b.XRD測定
硫酸ナトリウムの結晶構造を確認するためにX線回折装置(RINT1000,Rigaku社製)を用いて、X線回折パターンの測定をした。
c.DSC測定
粒子の熱的特性を評価するために示差走査熱量計(Thermo Plus DSC8230,Rigak社製)を用いた。吸熱および発熱量の測定範囲−40℃〜80℃、サイクル数3回、昇温・降温速度10℃/minの条件で測定を行った。また、測定は初め−40℃に冷却した状態から開始し80℃に昇温した後再び−40℃まで冷却し行った。結果は特に言及の無い場合は3回目の測定結果を示す。また、Thermo Plus2標準ソフトウェアを用いてピーク面積の積分値を計算し蓄熱量とした。
d.粘度測定
各ポリマーの水溶液(7.5wt%)および硫酸ナトリウムとポリマーの混合水溶液(硫酸ナトリウム:50wt%、ポリマー:7.5wt%)を回転式粘度計(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製 HAAKE Rheo Stress 6000)を用いて以下の条件で粘度を測定した(せん断速度200〜800m/s、測定時間60s、コーン c20/Ti)。
e.TG測定
ポリマー内部に内包されている硫酸ナトリウム量を定量するため、エマルジョン水溶液中にヘキサンを滴量加え溶解したPEGとその内部に取り込まれた硫酸ナトリウムを析出させた。その後試料を10℃で一晩乾燥させた。乾燥後試料を10℃/minで1000℃まで加熱しTG測定を行った。
[Evaluation]
a. SEM
An observation sample was prepared by fixing the dried particles to a brass sample stand to which a carbon tape was attached. Then, osmium was vapor-deposited by OSMIUM PLASMA COATER OPC60A (Filgen). For the observation, a scanning electron microscope (JSM-7000F, manufactured by JEOL) was used, and the acceleration voltage was 15.0 kV. Secondary Electron Image (SEI) mode was used for observation.
b. XRD measurement An X-ray diffraction pattern was measured using an X-ray diffractometer (RINT1000, manufactured by Rigaku) in order to confirm the crystal structure of sodium sulfate.
c. A differential scanning calorimeter (Thermo Plus DSC8230, manufactured by Rigak) was used to evaluate the thermal characteristics of the DSC measurement particles. The measurement was performed under the conditions of measurement range of endotherm and calorific value of −40° C. to 80° C., three cycles, and temperature rising/falling rate of 10° C./min. Further, the measurement was started from a state of being initially cooled to -40°C, heated to 80°C, and then cooled again to -40°C. The results show the results of the third measurement unless otherwise specified. In addition, the integrated value of the peak area was calculated using Thermo Plus2 standard software as the heat storage amount.
d. Viscosity measurement An aqueous solution of each polymer (7.5 wt%) and a mixed aqueous solution of sodium sulfate and polymer (sodium sulfate: 50 wt%, polymer: 7.5 wt%) were used for the rotary viscometer (HAAKE Rheo Stress manufactured by Thermo Fisher Scientific Co.). 6000) was used to measure the viscosity under the following conditions (shear speed 200 to 800 m/s, measurement time 60 s, cone c20/Ti).
e. TG measurement In order to quantify the amount of sodium sulfate contained in the polymer, PEG was added dropwise to the aqueous emulsion solution to dissolve PEG and the sodium sulfate incorporated therein was precipitated. The sample was then dried overnight at 10°C. After drying, the sample was heated to 1000° C. at 10° C./min and TG measurement was performed.

〔結果と考察〕
図33〜図36に各ポリマーを用いた条件で合成した粒子のSEMおよびEDS画像を示す。まず図33のPAAをポリマーコアとして用いた条件では、4μm、少し崩れた球状、表面に僅かな凹凸がある粒子が観察された。EDS分析により、NaとSが強く観察されSiが視野全体に広まっていることから硫酸ナトリウムの結晶である可能性が考えられる。図34のPEIをポリマーコアとして用いた条件では、約3μmの表面が少し粗い粒子が生成したことがわかる。EDS分析により粒子上にSiが観察され、視野全体にNa、Sが広がっていることからシリカ粒子である可能性が示唆された。図35のPVAを用いた条件では粒径約6μmの表面が滑らかな球状粒子が生成された事がわかった。またEDSの分析から他の粒子と比べ、粒子上に強くSi、Na、Sのマッピングが観察できる。そのため硫酸ナトリウムを内部に含んだシリカシェルが生成している可能性が示唆された。しかし、SEM及びEDSの結果からでは、硫酸ナトリウムが内部に存在しているのか、シリカ粒子上に付着した状態であるのかを断定することは難しい。図36のPVP条件では、4μm程度の表面が滑らかな球状粒子が生成した事がわかった。EDS分析ではPVAと同様に粒子上にすべてのマッピングがはっきりと観察された。そのため硫酸ナトリウムを内部に含んだシリカシェルが生成している可能性が示唆された。また図37に各試料のXRD測定の結果を示す。どの試料においても硫酸ナトリウムのピークを観察することが出来た。しかし、PAAやPEI条件のものは一部のピークが減少している。このことから試料中に含まれる硫酸ナトリウムの絶対量が他の二つと比べても少ないことがわかる。EDSやXRDの結果からだけでは硫酸ナトリウムが粒子の内部または外部に存在するのかを議論することはできない。しかしながら以上の結果より熱的特性に対して予想を立てることができる。つまり、シリカと硫酸ナトリウムが完全に分離していると考えられるPAA、PEIを用いた条件では熱的特性は観察されず、硫酸ナトリウムが粒子内部に内包されている可能性のあるPVA、PVPを用いた条件では熱的特性を観察することができると予想される。そのため次のDSC測定において実際に熱的特性の評価を行った。
図38に合成した各粒子のDSC測定結果を示す。結果よりPVAおよびPVPを用いた条件において昇温時に結晶が融解することに起因して現れる吸熱ピーク、降温時に結晶が凝固することによる放熱ピークが確認できた。PAA、PEIを用いた条件では、ピークが確認できない。これは先ほどのEDSの結果から予想される傾向とも一致している。表12にDSC測定結果より得られた各サンプルの蓄熱量を示す。前例の合成したPEGを7.5wt%加えた条件のものと本例で合成したPVA、PVP系のものを比べると約5分の1程に減少していることがわかる。これは後述するポリマーと硫酸ナトリウムの相互作用による違いだと考えられる。
〔Results and discussion〕
33 to 36 show SEM and EDS images of particles synthesized under the conditions using each polymer. First, under the condition in which PAA in FIG. 33 was used as the polymer core, particles having a diameter of 4 μm, a slightly distorted spherical shape, and slight irregularities on the surface were observed. By EDS analysis, Na and S were strongly observed, and Si was spread over the entire field of view, which suggests that the crystals may be sodium sulfate. It can be seen that under the condition that PEI in FIG. 34 is used as the polymer core, particles of about 3 μm with a slightly rough surface are generated. Si was observed on the particles by EDS analysis, and Na and S spread over the entire visual field, suggesting that the particles may be silica particles. Under the conditions using PVA in FIG. 35, it was found that spherical particles having a particle size of about 6 μm and having a smooth surface were generated. Also, from the EDS analysis, stronger mapping of Si, Na, and S can be observed on the particles as compared with other particles. Therefore a possibility that sheet Rikasheru containing sodium sulfate therein is generated is suggested. However, from the results of SEM and EDS, it is difficult to determine whether sodium sulfate is present inside or is in a state of being attached on silica particles. Under the PVP conditions in FIG. 36, it was found that spherical particles having a smooth surface of about 4 μm were generated. EDS analysis clearly showed all mapping on the particles as well as PVA. Therefore a possibility that sheet Rikasheru containing sodium sulfate therein is generated is suggested. Moreover, the result of the XRD measurement of each sample is shown in FIG. The peak of sodium sulfate could be observed in any of the samples. However, some peaks in PAA and PEI conditions are decreasing. This indicates that the absolute amount of sodium sulfate contained in the sample is smaller than the other two. From the results of EDS and XRD alone, it is not possible to discuss whether sodium sulfate exists inside or outside the particles. However, from the above results, predictions can be made regarding the thermal characteristics. In other words, thermal characteristics are not observed under the conditions using PAA and PEI, which are considered to be completely separated from silica and sodium sulfate, and PVA and PVP that may contain sodium sulfate inside the particles It is expected that thermal properties can be observed under the conditions used. Therefore, the thermal characteristics were actually evaluated in the next DSC measurement.
FIG. 38 shows the DSC measurement result of each synthesized particle. From the results, it was possible to confirm the endothermic peak that appears due to the melting of the crystal at the time of temperature increase and the heat release peak due to the solidification of the crystal at the time of temperature decrease under the conditions using PVA and PVP. No peak can be confirmed under the conditions using PAA and PEI. This is in agreement with the trend expected from the EDS results. Table 12 shows the heat storage amount of each sample obtained from the DSC measurement results. Comparing the PVA and PVP type synthesized in this example with the condition of adding 7.5 wt% of the synthesized PEG in the previous example, it can be seen that the amount is reduced to about 1/5. This is considered to be due to the interaction between the polymer and sodium sulfate described below.

続いて、各ポリマー水溶液の粘度および2Mの硫酸ナトリウム水溶液を50wt%になるように調整した水溶液のそれぞれの粘度測定を行った。結果を図39に示す。
PVA単体の水溶液では粘度が300mPa/sと非常に大きい。一方で硫酸ナトリウムを加えたものは加えてないものに比べて非常に低い値となった。これは、硫酸ナトリウムを加えた条件では、PVAが十分に溶解していないためだと考えられる。本例においてもPVAを用いた条件では、硫酸ナトリウムを加えた際、溶液は白濁した状態になり、溶解していない硫酸ナトリウムが溶液中に分散している状態が観察された。そのためPVAに関しては、硫酸ナトリウムを加えた溶液中ではその溶解度は著しく下がることが推測される。図40にはPVAを用いた条件を除いた粘度測定の結果を示す。破線で表したものがポリマー単体の水溶液、実線で示したものがポリマーと硫酸ナトリウムの混合水溶液である。上述のように硫酸ナトリウム水溶液が50wt%になるように調整した。ポリマー毎の傾向に注目すると二通りに大別される。PAAやPEIは硫酸ナトリウムを加えた方が、粘度が高くなる傾向が見られた。一方で、PVPを用いたものは、硫酸ナトリウムを加えたものに粘度の減少が見られた。
次いで、カプセル粒子形成へのエマルジョン安定性の 影響を調査するために各ポリマー条件毎のエマルジョン径の時間経過による変化を、DLSを用いて調べた。図40〜43に各エマルジョン形成溶液のDLS測定結果を示す。まず図41のPAA条件について注目すると、時間経過によるエマルジョン径はバラつきが大きく安定していないことがわかる。5分では800nmを中心に広範囲に分布している。30分後から僅かに微小化し、1hではシャープなピークが観察され500nm程度のエマルジョン径になった事がわかる。図41のPEI条件では始めPAA程大きなコアがなく時間経過とともに少しずつ肥大化し1h後には再び微小化している事がわかる。時間経過とともにエマルジョン同士が会合し肥大化しているが、1h後には肥大化したエマルジョンが崩壊し小さな粒径のものが残存していると考えられる。一方で、他のポリマーでは、エマルジョン径は比較的安定している。特に図43のPVPを用いた条件では、5minで約800nmの広い分布を示しているが15min、30min、1hと時間が経過しても粒径は変わらずほぼ一定である。そのため時間経過による径の変化は少なくエマルジョンが安定していると考えられる。
以上、粘度およびDLSによるエマルジョン径の測定により、PAA、PEIを用いた条件と、PVA、PVPを用いた条件では、挙動が異なることが明らかになった。特にPVPではエマルジョンはより安定している事が示唆された。こうした要因の一つとして硫酸ナトリウムとポリマーとの静電的相互作用の違いが考えられる。まず、PEIに着目すると、PEIはカチオン密度の高いポリマーとして良く知られている。そのため同じくカチオンであるナトリウムイオンとの静電反発が起こると考えられる。また、溶液中で硫酸イオンなどの陰イオンと複合体を形成し易いために粒子内部で硫酸ナトリウムが析出し難いと考えられる。また硫酸イオンと複合体を形成するためにPEI単体と比べて分子鎖運動性が下がったために粘度が減少したのではないかと考えられる。またPAA、PVAでは共に分子鎖に含まれるカルボキシ基、ヒドロキシ基の静電的相互作用により硫酸ナトリウムが内部に取り込まれ易いのではないかと予想した。しかし結果としてPVAではカプセル粒子が合成できたがPAAでは合成出来なかった。これは、二つ官能基の静電的相互作用の強さによる差であると考えられる。PVPについては、他ポリマーと違う要因が考えられる。PVPは図31に示すように一つの分子中に親水基と親油基を併せ持つ両親媒性の高分子である。水溶液中では、親水性部分を外側に親油性部分を内側に向け会合することが知られている。そのため水中で素早く会合することにより運動性が低下し、時間経過によるエマルジョン径の安定性が他のポリマーより高くなったと考えられる。また、硫酸ナトリウムを加えると粘度が減少することについて、会合状態のPVPに硫酸ナトリウムが吸着することによりその会合状態が緩み分子鎖の運動性が増加すると推測される。それにより粘度が減少したのではないかと考えられる(図44参照)。
Subsequently, the viscosity of each polymer aqueous solution and the viscosity of each aqueous solution prepared by adjusting a 2M sodium sulfate aqueous solution to 50 wt% were measured. The results are shown in Fig. 39.
An aqueous solution of PVA alone has a very high viscosity of 300 mPa/s. On the other hand, the value with sodium sulfate added was much lower than that without sodium sulfate. This is probably because PVA was not sufficiently dissolved under the condition where sodium sulfate was added. Also in this example, under the conditions using PVA, when sodium sulfate was added, the solution became cloudy, and it was observed that undissolved sodium sulfate was dispersed in the solution. Therefore, it is speculated that the solubility of PVA in the solution containing sodium sulfate is significantly reduced. FIG. 40 shows the result of viscosity measurement excluding the conditions using PVA. What is shown by the broken line is the aqueous solution of the polymer alone, and what is shown by the solid line is the mixed aqueous solution of the polymer and sodium sulfate. As described above, the sodium sulfate aqueous solution was adjusted to be 50 wt %. Focusing on the tendency of each polymer, it is roughly divided into two types. PAA and PEI tended to have higher viscosity when sodium sulfate was added. On the other hand, in the case of using PVP, the decrease in viscosity was observed in the case of adding sodium sulfate.
Next, in order to investigate the effect of emulsion stability on the formation of capsule particles, the change in emulsion diameter with time for each polymer condition was examined using DLS. 40 to 43 show the DLS measurement results of each emulsion forming solution. First, paying attention to the PAA conditions in FIG. 41, it can be seen that the emulsion diameter varies greatly over time and is not stable. At 5 minutes, it is distributed over a wide range around 800 nm. It can be seen that after 30 minutes, the particle size was slightly reduced and a sharp peak was observed at 1 hour, resulting in an emulsion diameter of about 500 nm. Under the PEI condition of FIG. 41, it can be seen that there is no core as large as PAA at the beginning and it gradually enlarges with the passage of time and becomes smaller again after 1 h. It is considered that the emulsions are associated with each other and swelled with the passage of time, but the swelled emulsions collapsed after 1 h, and those having a small particle size remained. On the other hand, with other polymers, the emulsion size is relatively stable. In particular, under the condition using PVP in FIG. 43, a wide distribution of about 800 nm is shown at 5 minutes, but the particle size does not change even after a lapse of 15 minutes, 30 minutes, 1 hour, and is almost constant. Therefore, it is considered that the emulsion is stable with little change in diameter over time.
As mentioned above, the measurement of the viscosity and the emulsion diameter by DLS revealed that the behavior was different between the condition using PAA and PEI and the condition using PVA and PVP. Especially in PVP, it was suggested that the emulsion was more stable. One of these factors is considered to be the difference in electrostatic interaction between sodium sulfate and polymer. First, focusing on PEI, PEI is well known as a polymer having a high cation density. Therefore, electrostatic repulsion with sodium ion, which is also a cation, is considered to occur. In addition, it is considered that sodium sulfate is unlikely to precipitate inside the particles because it easily forms a complex with anions such as sulfate ions in the solution. It is also considered that the viscosity decreased because the molecular chain mobility decreased as compared to PEI alone due to the formation of a complex with sulfate ions. In addition, in both PAA and PVA, it was expected that sodium sulfate would be easily incorporated inside due to the electrostatic interaction of the carboxy and hydroxy groups contained in the molecular chain. However, as a result, capsule particles could be synthesized with PVA but not with PAA. This is considered to be a difference due to the strength of the electrostatic interaction between the two functional groups. Regarding PVP, factors different from other polymers are considered. As shown in FIG. 31, PVP is an amphipathic polymer having a hydrophilic group and a lipophilic group in one molecule. In an aqueous solution, it is known to associate the hydrophilic part on the outside and the lipophilic part on the inside. Therefore, it is considered that the mobility of the emulsion decreased due to the rapid association in water, and the stability of the emulsion diameter with the passage of time became higher than that of other polymers. In addition, regarding the decrease in viscosity when sodium sulfate is added, it is speculated that the adsorption of sodium sulfate to PVP in the associated state relaxes the associated state and increases the mobility of the molecular chain. It is considered that the viscosity was thereby decreased (see FIG. 44).

本例を通してコアとして用いるポリマー種を変更した際にも蓄熱材内包粒子を合成できることが明らかになった。用いるポリマー種によりカプセル粒子を合成できるもとそうでないものがあると明らかになり、疎水性相互作用による分子鎖挙動や蓄熱材と相互作用の違いが原因であることが示唆された。そのため応用時には用いる蓄熱材とポリマーとの相互作用について詳細に分析することが不可欠であると考えられ、適切なポリマーの選択が必要になると考えられる。 Through this example, it was revealed that the heat storage material-containing particles can be synthesized even when the polymer species used as the core is changed. It was clarified that some polymer particles could be used to synthesize capsule particles depending on the type of polymer used, and some were not, and it was suggested that this was due to the difference in molecular chain behavior due to hydrophobic interaction and interaction with the heat storage material. Therefore, it is considered essential to analyze in detail the interaction between the heat storage material and the polymer used during application, and it is considered necessary to select an appropriate polymer.

本発明ではカプセル粒子中に蓄熱材を内包することで、融解時の漏出を防止することや相分離の減少などが期待できることから、NaSO・10HOをPCMとして用い、マイクロカプセル化技術を応用することで蓄熱材内包カプセル粒子の合成を行った。またその合成プロセスにおいて、合成条件が粒子形成に与える影響について考察した。
実施例2ではシクロヘキサン溶媒中に硫酸ナトリウム水溶液を添加し、W/Oエマルジョンを形成させ、その表面をシリカでコーティングすることによりカプセル粒子を合成することに成功した。その粒子形成プロセスでは、界面活性剤濃度が主に粒径に影響を与えることが明らかになった。また、粒径の変化に伴い内部のPCMの凝固点が変化していることから粒径を制御することにより凝固点を制御することができる可能性が示唆された。また、粒子形成にかかる反応時間について触媒に3−3’ジアミノジプロピルアミンを用いることで18時間の短縮に成功した。その際には触媒が持つアミノ基(触媒能)と粘度が重要なファクターであることわかった。
実施例2では水相中に水溶性の高分子を溶解させ、水溶液の粘度を上げると共に溶解した高分子を一種のコアとして利用することにより、5〜6μm程度の蓄熱材内包粒子を合成することに成功した。硫酸ナトリウム10wt%の条件で合成した粒子は数回の測定で蓄熱量に大きな変化はなく、安定した性能を示すことが明らかになった。また、ポリマー濃度を変化せることで蓄熱量に変化が見られたことからポリマーと硫酸ナトリウムの相互作用の変化により粒子内部への硫酸ナトリウムの内包量をある程度制御できることが示唆された。
実施例3において、水相中に溶解させる高分子を変更した際にも蓄熱材内包粒子を合成できることが明らかになった。用いる高分子によりカプセル粒子の形成に差異があり、疎水性相互作用による分子鎖挙動や蓄熱材との相互作用の違いが原因であることが示唆された。そのため応用時には用いる蓄熱材とポリマーとの相互作用について詳細に分析することが不可欠であると考えられ、適切なポリマーの選択が必要になると考えられる。
以上の通り、PCMにマイクロカプセル化技術を応用することにより、繰り返しの使用を行っても蓄熱性能の低下しない蓄熱材内包粒子の合成が可能であることが明らかになった。また、内部のPCMに対して適切な高分子を使用することにより蓄熱性能の向上を図ることができることも明らかになった。同様に適切な配合比、製造条件の選択をすることで、NaSO・10HO以外の様々なPCMに対しても応用可能であると考えられる。
In the present invention, by encapsulating the heat storage material in the capsule particles, it can be expected to prevent leakage at the time of melting and to reduce phase separation. Therefore, Na 2 SO 4 ·10H 2 O is used as PCM for microencapsulation. By applying the technology, heat storage material-encapsulating capsule particles were synthesized. Moreover, in the synthesis process, the influence of the synthesis conditions on the particle formation was discussed.
In Example 2, an aqueous sodium sulfate solution was added to a cyclohexane solvent to form a W/O emulsion, and the surface thereof was coated with silica to successfully synthesize capsule particles. It was revealed that the surfactant concentration mainly affects the particle size in the particle formation process. In addition, since the freezing point of PCM inside changes with the change of particle size, it is suggested that the freezing point can be controlled by controlling the particle size. Further, the reaction time required for particle formation was successfully reduced to 18 hours by using 3-3'diaminodipropylamine as a catalyst. At that time, it was found that the amino group (catalytic ability) of the catalyst and the viscosity are important factors.
In Example 2, a water-soluble polymer is dissolved in the aqueous phase, the viscosity of the aqueous solution is increased, and the dissolved polymer is used as a kind of core to synthesize heat storage material-encapsulating particles of about 5 to 6 μm. succeeded in. It was revealed that the particles synthesized under the condition of 10 wt% of sodium sulfate showed stable performance without a large change in the amount of heat storage after several measurements. In addition, it was suggested that the amount of stored sodium sulfate inside the particles could be controlled to some extent by changing the interaction between the polymer and sodium sulfate, as the amount of heat storage changed by changing the polymer concentration.
In Example 3, it was revealed that the heat storage material-containing particles can be synthesized even when the polymer to be dissolved in the aqueous phase is changed. It was suggested that there is a difference in the formation of capsule particles depending on the polymer used, and that it is due to the difference in the molecular chain behavior due to the hydrophobic interaction and the interaction with the heat storage material. Therefore, it is considered essential to analyze in detail the interaction between the heat storage material and the polymer used during application, and it is considered necessary to select an appropriate polymer.
As described above, it was clarified that by applying the microencapsulation technology to PCM, it is possible to synthesize heat storage material-encapsulating particles that do not deteriorate the heat storage performance even after repeated use. It was also clarified that the heat storage performance can be improved by using an appropriate polymer for the internal PCM. Similarly, it is considered that the composition can be applied to various PCMs other than Na 2 SO 4 ·10H 2 O by selecting appropriate compounding ratios and manufacturing conditions.

本発明に係る混合粘性蓄熱体およびその製造方法によれば、透明蓄熱塗料、透明蓄熱フィルムとして利用できるばかりでなく、各種コーティング材、フィルムに練り込んで使用可能である。


According to the mixed viscous heat storage material and the method for producing the same according to the present invention, not only can it be used as a transparent heat storage paint or a transparent heat storage film, but it can also be used by kneading it into various coating materials or films.


Claims (6)

ポリマーと無機塩との混合粘性蓄熱体において、
ポリマー水溶液と、ポリマー/硫酸ナトリウム水溶液と水溶性界面活性剤とを水相とし、オクタノールと増粘剤とを油相とし、
前記無機塩であるオルトケイ酸テトラエチルを滴下させることにより、シリカシェル内部に硫酸ナトリウムが形成されたことを特徴とする混合粘性蓄熱体。
In the mixed viscous heat storage material of polymer and inorganic salt,
Polymer aqueous solution, polymer/sodium sulfate aqueous solution and water-soluble surfactant as an aqueous phase, octanol and a thickener as an oil phase,
Wherein by dropping tetraethylorthosilicate inorganic salts, mixing viscous regenerator, characterized in that sodium sulfate is formed inside the silica shell.
前記粘性蓄熱体を、3−10wt%の硫酸ナトリウム水溶液中にて、4〜6μmにマイクロカプセル化したことを特徴とする請求項1記載の混合粘性蓄熱体。 The viscous regenerator, C. in 3-10Wt% aqueous solution of sodium sulfate, mixed viscous heat storage body according to claim 1, wherein the microencapsulated in 4 to 6 mu m. 水相をポリエチレングリコールと硫酸ナトリウム10水和物の組み合わせとしたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の混合粘性蓄熱体。 The mixed viscous heat storage material according to claim 1 or 2, wherein the aqueous phase is a combination of polyethylene glycol and sodium sulfate decahydrate. ポリマーと無機塩との混合粘性蓄熱体において、
ポリマー水溶液と、ポリマー/硫酸ナトリウム水溶液と水溶性界面活性剤とを水相とし、オクタノールと増粘剤とを油相とし、前記無機塩であるオルトケイ酸テトラエチルを滴下し、撹拌、合成することにより、シリカシェル内部に硫酸ナトリウムを形成させたことを特徴とする混合粘性蓄熱体の製造方法。
In the mixed viscous heat storage material of polymer and inorganic salt,
A polymer solution, a polymer / aqueous sodium sulfate and a water-soluble surfactant with the water phase, the octanol and thickener and the oil phase was added dropwise tetraethyl orthosilicate is the inorganic salts, stirred, by combining A method for producing a mixed viscous heat storage material, characterized in that sodium sulfate is formed inside a silica shell .
前記粘性蓄熱体を、3−10wt%の硫酸ナトリウム水溶液中にて、4〜6μmにマイクロカプセル化したことを特徴とする請求項4記載の混合粘性蓄熱体の製造方法。 The method for producing a mixed viscous heat storage body according to claim 4, wherein the viscous heat storage body is microencapsulated to a size of 4 to 6 μm in a 3 to 10 wt% sodium sulfate aqueous solution. 水相をポリエチレングリコールと硫酸ナトリウム10水和物の組み合わせとしたことを特徴とする請求項4または請求項5記載の混合粘性蓄熱体の製造方法。 The method for producing a mixed viscous heat storage material according to claim 4 or 5, wherein the aqueous phase is a combination of polyethylene glycol and sodium sulfate decahydrate.
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