CN101096300A - 有机相变复合粉煤灰陶粒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有相变调温功能的有机相变材料复合粉煤灰陶粒及其制备方法，属于材料科学领域。粉煤灰陶粒包裹有机相变材料和阻燃剂，它采用真空吸附制备将有机相变材料和阻燃剂渗透进入粉煤灰陶粒内部孔隙而制成。其制备方法是在真空反应釜中，将粉煤灰陶粒、有机相变材料和阻燃剂按比例混合均匀后缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并包裹于粉煤灰陶粒颗粒表面的有机相变材料和阻燃剂吸附渗透进入粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙；降温，卸料，即获得有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒。本发明消除了有机相变材料对建材机械性能和防火性能的影响；保证了高相变储能热容，相变储能骨料循环工作稳定、防渗透性能稳定。

Description

有机相变复合粉煤灰陶粒及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑节能用材料领域，尤其涉及具有相变调温功能的有机相变复合粉煤灰陶粒及其制备方法。

背景技术

我国单位建筑面积的耗能量高达气候条件相近发达国家的3倍，且95％的建筑物属于高能耗建筑，建筑能耗占全社会总能耗的30％左右。随着我国经济建设和房地产业高速增长，对资源紧缺、污染日益加剧的中国带来更大的电力负担。因此，建筑节能对我国是一个极为重要和迫切的课题。

热能存储技术可以缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，平衡建筑物的供暖与空调负荷，大大提高居住环境的舒适度。应用热能存储技术，不仅可以缩小冷热源的规模，节约初投资，而且，由于电网负荷峰谷电价分计制的实行，应用热能存储技术还可以降低供暖、空调系统的运行费用。另外，热能存储技术也是在建筑物的供暖、空调系统中有效存储、利用太阳能等低成本清洁能源的重要途径，有利于环保、节能。

太阳能的应用需要有效的热能存储，而相变材料(phase change material，PCM)发生相变时所需要吸收和释放的大量相变潜热正好满足了这种需求，新型相变型建筑节能材料的研发与应用是当前建筑节能领域的热点与最前沿方向。

理想的建筑储能材料须满足以下条件：1)相变温度接近人体的舒适度20～26℃；2)具有足够大的相变潜热和热传导性；3)相变时膨胀或收缩性要小；4)相变的可逆性要好；5)无毒性、无腐蚀性、无降解、无异味；6)制作原料廉价易得。早期的研究主要集中于便宜易得的无机水合盐上，但由于其严重的过冷与析出问题，相变建筑材料循环使用后储能大大降低和相变温度范围波动很大，大大限制了其在建筑材料领域的实际应用。为了避免无机相变材料的上述问题，人们又将研究重点集中到了低挥发性的无水有机物，如：聚乙二醇，脂肪酸和石蜡衍生物等。尽管它们的价格高于普通水合盐，且单位热存储能力低，但其稳定的物理化学性能，良好的热行为和可调的相变温度都使其有广阔的应用前景。

在过去的20年中，容器化的相变材料已经被市场应用到太阳能领域，但由于其在相变时与环境接触的面积太小，而使其能量传递并不是很有效。相反，普通建筑材料却给建筑物每一个区域的被动式传热提供了足够大的接触面积，从而引起了人们更多的重视。研究相变材料与普通建筑材料的结合方式，研究相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热、机械及防火特性是PCM应用于建筑材料的关键技术问题。

当前，PCM与基材的结合技术主要有3种：直接加入、浸入和封装。直接加入法便于控制PCM的加入量，浸入法则可对成品建筑材料进行处理。封装就是在直接加入前用不同材料、形状和大小的胶囊包含PCM。封装技术有两种主要方法，一是小封装技术，就是将小的球形的或杆形的颗粒封装在薄的高分子聚乙烯膜中，然后再加入基材；二是大封装技术，就是将PCM包含在比较大的容器如试管、球体、面板等。这些容器既可直接作为热交换器，也可加入建材中。这些技术或者会影响建材的机械性能，或者影响到产品的防火性能，实用化前景堪忧。

而利用“两步法”工艺，即首先制作高稳定高热容的相变储能骨料，再采用相变储能骨料，用普通混凝土的制备技术配制各种类型的相变储能混凝土建筑材料，是最有希望的PCM与建筑基材的结合技术，必将有着广阔的应用前景。

有人申请了名为一种有机硅自调温节能环保墙体材料(申请号为：CN03153207.1)，属于建筑材料领域。把建材和化工相结合，利用复合原理，通过自身热频变化机理，夏季通过墙体吸热物理变性，室温下降2-3℃，减少空调50％用电量。在冬季通过蓄热，提高温室效应。施工方便，广泛应用新楼房装饰，彻底克服墙面裂缝、结露、起皮、发霉等先天不足问题，而且具有很好杀菌、隔音效果，提高住宅舒适性和功能档次。它所用原料配比为(kg/m3)硅藻土20-25；水镁石12-15；淀粉4-6；叶蜡石；壳聚糖；有机硅乳液；纤维素C棕榈酸酯5-7；石蜡5-8；漂珠；氢氧化钠。它具有一定的调节室温作用但效果不明显，不宜大规模工业化生产。还有人申请了一种名为一种自调温建筑墙体抹面砂浆材料及其制备方法的专利(申请号为：CN200310112982.5)，提供一种不会渗出，不结霜，其性能稳定的自调温建筑墙体抹面砂浆材料及其制备方法。技术方案为：一种自调温建筑墙体抹面砂浆材料，其特征在于：所述砂浆材料含有下述重量百分比的配料：相变复合材料5～15％；建筑砂20～50％，胶凝材料30～50％，抗菌防霉添加剂1～5％，余量为水。其制备方法为：先将上述建筑砂、胶凝材料、抗菌防霉添加剂，余量为水充分混合后，再加入相变复合材料，混合均匀后直接用于建筑施工墙面；其生产方法简单，省时省力，且室温的波动幅度降低4～6℃，空调使用时间减少2小时/天以上，成本低，易于推广和实施。但其调节范围和材料的使用寿命较低，难以打规模推广。还有人申请了名为蓄能建筑材料及其制备方法(专利申请号为：CN200410041384.8)，它由癸酸、月桂酸组成的混合物与建筑基体材料复合而成，癸酸与月桂酸按质量比(1～8)∶1。本发明的制备方法是将癸酸和月桂酸分别加热，待它们完全熔化后，按上述的比例范围混合形成一种癸酸和月桂酸的共熔混合物；再将该共熔混合物加热至完全熔化状态，复合到建筑基体材料中，形成一种蓄能建筑材料。在建筑节能领域，通过墙体材料与蓄能材料复合，可以增加建筑物的温度调节能力，达到节能和舒适的目的。该蓄能材料的相变温度(19-24℃)与房间内的调节温度(18-25℃)相吻合，相变潜热较高(120-150kJ/kg)，无过冷和相分离现象，无毒、无腐蚀性，性能稳定、重复性好。它虽然解决了相分离的缺点，但其相变材料和建筑基料的混合方式仍然为简单的混合，其效果较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有复相微结构、稳定性能好、相变储能热容高、工艺简单、成本低、易实施的相变储能骨料即有机相变复合粉煤灰陶粒及其制备方法。

本发明的上述基数目的是通过一下技术方案得以实现的：

一种有机相变材料复合粉煤灰陶粒，其特征在于它是由粉煤灰陶粒、有机相变材料和阻燃剂组成，这三者的质量比为1∶0.5～5∶0.1～0.5，所述的有机相变材料和阻燃剂处于粉煤灰陶粒中。所述煤粉陶粒为一种采用粉煤灰为主要原材料、容重为100～400kg/m³的经烧结工艺或者免烧结工艺制得的粉煤灰质多孔隙颗粒骨料，所述的有机相变材料一般为有机硅或硬脂酸正丁酯、有机树脂乳液、固化剂组成的混合物，还可以是十二醇或十四醇和矿物质组成的材料，还可以是聚乙烯醇、石蜡、正十六烷、正十七烷等，所述的阻燃剂目的是防止有机相变材料在高温条件下燃烧，一般为普通的建筑材料用阻燃剂如硼酸、硼砂、磷酸铵、磷酸、卤化石钠、含卤的烷烃等。

作为优选，所述的有机相变材料是熔点为15～40℃的聚乙二醇、脂肪酸、石蜡或石蜡衍生物中的一种或多种。优选相变温度在20～28℃的上述材料。

作为优选，所述的阻燃剂为磷酸铵、磷酸或含卤烷烃中的一种或多种。

作为优选，所述的粉煤灰陶粒是烧结型粉煤灰陶粒或免烧型粉煤灰陶粒，其颗粒的粒径范围为1～12mm。

上述有机相变材料复合粉煤灰陶粒的制备方法，采用的是真空吸附制备方法，其步骤如下：在真空反应釜或其它容器中，将粉煤灰陶粒、有机相变材料和阻燃剂在50～180℃的温度下按质量比1∶0.5～5∶0.1～0.5混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于粉煤灰陶粒颗粒表面的有机相变材料和阻燃剂完全吸附渗透进入粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙；降温，卸料，即获得了有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒。

因此，本发明具有以下有益效果：

1.有机相变材料和阻燃剂完全渗透进入了粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙，从而解决了有机相变材料与普通建筑材料结合的关键技术问题，消除了有机相变材料对建材机械性能和防火性能的影响。

2.有机相变材料循环相变的整个过程均发生于粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙中，彻底解决了相变储能骨料的循环工作稳定性能和防渗透稳定性能。

3.充分利用了粉煤灰陶粒颗粒轻容重和大内部孔隙的特点，实现了较高的有机相变材料掺入量，保证了这种新型相变储能骨料具有高的相变储能热容。

4.制备工艺简单，易于实施与控制，利于工业化推广应用。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：在真空反应釜中，压力为0.03Mpa压力为将粒径范围为1～4mm的烧结型粉煤灰陶粒、熔点为20℃左右的聚乙二醇有机相变材料和磷酸铵阻燃剂在50～60℃的温度下按质量比1∶5∶0.5混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于粉煤灰陶粒颗粒表面的聚乙二醇和阻燃剂吸附渗透进入粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙；降温，卸料，即获得了相变温度为20℃左右的有机相变材料复合粉煤灰陶粒。将所得的陶粒加入混凝土中即可用于建筑施工，一般每百公斤混凝土中加入20～45公斤陶粒。

通过对聚乙二醇的预先着色并采用光学显微镜对有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒断面情况的测试分析表明，聚乙二醇和阻燃剂已经完全渗透进入了粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙。这种有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒料表面基本亲水，火焰中不会出现自燃现象，同时在反复加热冷却2000个循环的情况下，不会出现聚乙二醇和阻燃剂渗漏和分解的情况。加入本发明所述的陶粒后，所制成的墙板可以降低室内温度波动7℃左右，节能效果显著。

实施例2：在真空反应釜中，压力为0.08Mpa将粒径范围为5～12mm的免烧型粉煤灰陶粒、熔点为30℃左右的脂肪酸有机相变材料和阻燃剂在100～110℃的温度下按质量比1∶2∶0.2混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于粉煤灰陶粒颗粒表面的脂肪酸和阻燃剂吸附渗透进入粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙；降温，卸料，即获得了相变温度为30℃左右的有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒。

通过对脂肪酸的预先着色并采用光学显微镜对有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒断面情况的测试分析表明，脂肪酸和阻燃剂已经完全渗透进入了粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙。这种有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒料表面基本亲水，火焰中不会出现自燃现象，同时在反复加热冷却2000个循环的情况下，不会出现脂肪酸渗漏和分解的情况。

实施例3：在真空反应釜中，其压力为0.03Mpa将粒径为8～10mm左右的免烧型粉煤灰陶粒、熔点为35℃左右的石蜡有机相变材料和阻燃剂在140℃的温度下按质量比1∶0.5∶0.1混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于粉煤灰陶粒颗粒表面的石蜡和阻燃剂吸附渗透进入粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙；降温，卸料，即获得了相变温度为35℃左右的有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒。

通过对石蜡的预先着色并采用光学显微镜对有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒断面情况的测试分析表明，石蜡和阻燃剂已经完全渗透进入了粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙。这种有机相变材料复合粉煤灰陶粒颗粒料表面基本亲水，火焰中不会出现自燃现象，同时在反复加热冷却2000个循环的情况下，不会出现石蜡渗漏和分解的情况。

Claims (6)

1、一种有机相变材料复合粉煤灰陶粒，其特征在于它是由粉煤灰陶粒、有机相变材料和阻燃剂组成，这三者的质量比为1∶0.5～5∶0.1～0.5，所述的有机相变材料和阻燃剂处于粉煤灰陶粒中。

2、根据权利要求1所述的有机相变材料复合粉煤灰陶粒，其特征在于所述的阻燃剂为磷酸铵、磷酸或含卤烷烃中的一种或多种。

3、根据权利要求1所述的有机相变材料复合粉煤灰陶粒，其特征在于所述的有机相变材料是熔点在15～40℃间的聚乙二醇、脂肪酸、石蜡或石蜡衍生物中的一种或多种。

4、根据权利要求1或2或3所述的有机相变材料复合粉煤灰陶粒，其特征在于所述的粉煤灰陶粒是烧结型粉煤灰陶粒或免烧型粉煤灰陶粒，其颗粒的粒径范围为1～12mm。

5、一种制造权利要求1所述的有机相变材料复合粉煤灰陶粒方法，其特征在于其包括以下步骤：

A：低压条件下，将粉煤灰陶粒、有机相变材料和阻燃剂在50～180℃的温度下按质量比1∶0.5～5∶0.1～0.5混合均匀；

B：将系统升至常压，将溶解并均匀包裹于粉煤灰陶粒表面的有机相变材料和阻燃剂完全吸附渗透进入粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙；

C：降温，卸料，即获得了有机相变材料复合粉煤灰陶粒。

6、根据权利要求5所述的制造有机相变材料复合粉煤灰陶粒方法，其特征在于所述的低压条件为压力小于0.05Mpa。