一种高导热纳米级相变微胶囊的制备方法、产品及应用

本发明涉及混凝土及深水油气田开发固井领域，特别是涉及一种高导热纳米级相变微胶囊的制备方法、产品及应用。

背景技术：

1、深水区油气资源丰富，勘探前景显著。低温和天然气水合物(ngh)分解是深水油气资源勘探的两大挑战。低温环境中水泥浆的延迟水化导致水泥石力学性能发展缓慢，使得地层中的油、气、水等流体容易侵入水泥环，引发井喷事故。其次，水泥浆水化放热量大，导致天然气水合物吸热分解，产生大量的气体在压力下进入水泥浆，导致水泥环内持续高压，产生裂缝，影响固井质量。

2、最近的研究表明，在水泥中加入相变材料(pcm)可以有效降低水泥的水化热。然而，pcm密度低，且与水泥成分的相容性差，不适合直接用于水泥中，它通常被封装在外壳中以形成相变微胶囊。目前，微胶囊外壳材料主要为有机聚合物(甲醛树脂、三聚氰胺树脂、酚醛树脂等)和无机材料(碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛等)。无机材料和水泥浆的相容性更好，并且导热性好。但是无机壳材的包裹性差，合成的微胶囊粒径大，且相变焓低。与无机壳材相比，有机聚合物具有更好的包裹性，化学稳定性和机械强度。但是有机聚合物壳相变微胶囊的导热性低，导致微胶囊吸热效率降低。其次，研究结果表明，无论有机壳材还是无机壳材，加入相变微胶囊不可避免的会对水泥石的力学性能产生负面影响。

技术实现思路

1、基于上述内容，本发明提供一种高导热纳米级相变微胶囊的制备方法、产品及应用。本发明高导热纳米级相变微胶囊具有高的导热率和相变焓，能够降低水泥水化热，并且对水泥石强度无负面影响，解决了目前深水固井用相变微胶囊的不足。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明技术方案之一，一种高导热纳米级相变微胶囊的制备方法，包括以下步骤：

4、采用硅烷偶联剂对高导热纳米材料进行疏水化处理，得到疏水化高导热纳米材料；

5、将相变材料、环氧树脂和固化剂混匀，得到油相溶液；向所述油相溶液中加入疏水化高导热纳米材料混匀，得到油相混合物；

6、将阳离子乳化剂和非离子乳化剂溶于水中，得到水溶液；

7、在搅拌条件下将所述油相混合物加入所述水溶液中，得到乳液；

8、将所述乳液进行反应，之后离心得到固体；对所述固体进行冻干，得到所述高导热纳米级相变微胶囊。

9、本发明技术方案之二，一种根据所述的制备方法制备得到的高导热纳米级相变微胶囊。

10、本发明技术方案之三，所述的高导热纳米级相变微胶囊在水泥中的应用。

11、本发明公开了以下技术效果：

12、本发明通过疏水化改性高导热纳米材料可提高纳米材料在油相中的分散性，使得其更容易形成导热路径，进而提高微胶囊的导热性。其次，以环氧树脂为壳，通过对相变材料进行包裹可避免相变材料在相变过程中的泄漏。并且环氧树脂表面的羟基基团可提高水泥浆颗粒的分散性，进而促进水泥浆更加均匀的水化，产生更加密实的水泥石结构，促进水泥石的强度发展。其次，与微米级相变微胶囊相比，纳米级相变微胶囊可更好的分散在水泥浆中，避免在水泥石中形成较大的应力缺陷。

技术特征：

1.一种高导热纳米级相变微胶囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高导热纳米级相变微胶囊的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷或十八烷基三甲氧基硅烷；所述高导热纳米材料为氮化硼；所述硅烷偶联剂与所述高导热纳米材料的质量比为(1-2):1；所述疏水化处理具体为将高导热纳米材料加入硅烷偶联剂溶液中60-80℃反应4-6h；所述硅烷偶联剂溶液的溶剂为乙酸水溶液；所述硅烷偶联剂溶液的ph为2-6。

3.根据权利要求1所述的高导热纳米级相变微胶囊的制备方法，其特征在于，所述相变材料为硬脂酸甲酯或硬脂酸乙酯；所述环氧树脂为环氧树脂e-51，环氧树脂cydh-3000或环氧树脂np170；所述固化剂为4,4′-二氨基二环己基甲烷或3,3'—二乙基—4,4'—二氨基二苯甲烷；所述相变材料与所述环氧树脂的质量比为(2-3):1；所述环氧树脂与所述固化剂的质量比为1:0.3。

4.根据权利要求1所述的高导热纳米级相变微胶囊的制备方法，其特征在于，所述油相溶液与所述疏水化高导热纳米材料的质量比为(8.5-10):(0.09-0.3)。

5.根据权利要求1所述的高导热纳米级相变微胶囊的制备方法，其特征在于，所述阳离子乳化剂为十二烷基三甲基溴化铵或十二烷基三甲基氯化铵；所述非离子乳化剂为十二烷基酚聚氧乙烯醚、失水山梨糖醇脂肪酸酯或聚山梨醇酯-20；所述水溶液中阳离子乳化剂的浓度为0.13-0.15g/ml；所述水溶液中非离子乳化剂的浓度为0.4-0.45g/ml。

6.根据权利要求1所述的高导热纳米级相变微胶囊的制备方法，其特征在于，所述油相混合物与所述水溶液的质量体积比为(9-11)g:100ml；所述搅拌条件为：在8000-12000r/min转速下搅拌8-10min。

7.根据权利要求1所述的高导热纳米级相变微胶囊的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为80-100℃，时间为4-6h。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的高导热纳米级相变微胶囊。

9.如权利要求8所述的高导热纳米级相变微胶囊在水泥中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述高导热纳米级相变微胶囊在水泥中的添加量为水泥质量的1-5％。

技术总结
本发明涉及混凝土及深水油气田开发固井领域，特别是涉及一种高导热纳米级相变微胶囊的制备方法、产品及应用。该制备方法包括以下步骤：采用硅烷偶联剂对高导热纳米材料进行疏水化处理，得到疏水化高导热纳米材料；将相变材料、环氧树脂和固化剂混匀，之后加入疏水化高导热纳米材料混匀，得到油相混合物；将阳离子乳化剂和非离子乳化剂溶于水中，得到水溶液；在搅拌条件下将油相混合物加入水溶液中，得到的乳液在一定温度下进行反应，之后离心所得固体进行冻干，得到高导热纳米级相变微胶囊。本发明高导热纳米级相变微胶囊具有热吸收功能，能够降低水泥的水化放热，并且对水泥石早期抗压强度无负面影响，解决了目前深水固井用低水化热水泥的不足。

技术研发人员：郭锦棠,李晓华,胡苗苗
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27