CN101429423A - 一种纳米复合相变材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种纳米复合相变材料及其制备方法属于材料的各种应用领域，纳米复合相变材料由相变材料、层状硅酸盐粉料和去离子水组成，其各组份的重量份如下：相变材料10－50份，层状硅酸盐粉料5－60份，去离子水20－70份。所说的相变材料的相变点为20－80℃。将相变材料加热至完全熔融；将层状硅酸盐粉料在水中用高剪切混合乳化机进行分散，制成层状硅酸盐凝胶态水分散体；将熔融态相变材料加入到层状硅酸盐水分散体中，用高剪切混合乳化机进行高速搅拌，形成水包油结构的纳米复合相变材料。纳米复合相变材料可以直接加入到混凝土或石膏等建筑基材中。因而可大大降低工艺复杂性及制备成本。复合相变材料制备简单，相变材料贮热量大，具有更强的应用前景。

Description

一种纳米复合相变材料及制备方法

技术领域

本发明一种纳米复合相变材料及其制备方法属于材料的各种应用领域，特别涉及一种由层状硅酸盐以搭接结构和相变材料形成的纳米复合相变材料及其制备方法。

背景技术

节能降耗，提高能源的利用率是当今社会可持续发展的重要课题。相变材料具有蓄热密度大、蓄放热过程近似等温的特点，能达到能量储存与释放及调节能量供给和需求失配的目的。具有实际应用价值的相变材料包括固-液相变材料和固-固相变材料。固-固相变材料无需封装，但其相变潜热低；固-液相变材料潜热较大，但需要进行封装，以防材料泄漏。目前研究较多的是微胶囊相变材料和多孔或层状基相变材料，采用胶囊技术能够有效解决相变过程中的泄漏问题，但是大部分胶囊材料都是高分子物质，导热性能差，降低了相变材料的储热密度及热性能。多孔或层状介质有石膏、膨润土、膨胀珍珠岩、多孔混凝土等，它们能有效地防止夜体泄漏，同时换热效率也较高。在此基础之上发展的插层复合法是制备纳米复合储能材料的方法之一，通常首先将无机蒙脱土进行有机改性，将有机相变材料作为客体插入主体的层间，从而制得纳米复合相变材料。蒙脱土具有良好的贮藏性能和导热性能，同时，多孔及层状颗粒作为相变材料的载体，能将相变材料分隔开来，较好地封装储存，防止相变材料的泄漏。但是插层复合法需要首先对蒙脱土进行改性，改性时间长并且能耗水耗大，同时，层间的有机相变材料量少，整体材料的潜热较小。这些缺陷限制了此方法的进一步开发及应用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种具有很高的结构和性能稳定性，能防止相变材料产生塑晶现象，整体的储热效率高，不易泄漏，工艺简单的纳米复合相变材料及制备方法。

纳米复合相变材料由相变材料、层状硅酸盐粉料和去离子水组成，其各组份的重量份如下：

相变材料         10-50份，

层状硅酸盐粉料   5-60份，

去离子水         20-70份。

所说的相变材料的相变点为20-80℃。

所说的相变材料为脂肪族烃化合物，如石蜡、正十六烷、正十八烷、二十烷、二十五烷、二十六烷、二十九烷、三十五烷、三十六烷；

所说的相变材料可以为酸类化合物，如葵酸、月桂酸、十四烷酸、十五烷酸、软脂酸、硬脂酸、二十烷酸；

所说的相变材料可以为酯类化合物，如硬脂酸正丁酯、硬脂酸正己酯、硬脂酸正戊酯；

所说的相变材料可以是上述有机化合物的一种或两种以上的均匀混合物。

所说的层状硅酸盐为蒙脱土或膨润土或高岭土或陶土或滑石粉或云母粉。可以是上述的一种或两种以上的均匀混合物。

以蒙脱土和石蜡复合为例解释纳米复合相变材料的制备过程。

钠基蒙脱土在水中非常容易解离，理论上5％的纯钠基蒙脱土溶胶能在去离子水中在高速搅拌下可以分散到单位晶胞大小的尺度。它分散在水中这后，由于层间阳离子的水合作用，以及层外自由水分子向层间的渗透膨胀，其层间距增大，从而建立起由带负电荷的硅酸盐片层表面与其附近扩散分布的阳离子形成的双电层，双电层之间的静电斥力使纳米量级厚度的蒙脱土片层均匀分散在水中，形成溶胶分散体系。如果加大MMT的浓度，MMT片层之间相互搭接形成凝胶。加入PCM后，用高剪切混合乳化机进行高速分散，PCM在高剪切力产生的热量下成为液体，并被分散成微小的液滴，这些小液滴被MMT片层分隔，形成水包油结构的MMT/PCM的水凝胶，MMT/PCM的水凝胶干燥后所形成的纳米复合相变材料。该纳米复合相变材料胶粒的周围包覆着层状硅酸盐的片层，片层之间相互搭接，这种结构，和有机蒙脱土插层法制备的复合相变材料相比，能容纳更多的相变材料，其储热能力更大，同时，由于纳米硅酸盐表面存在着较大的吸附力，相变材料限制在硅酸盐片层形成的“笼”中，不容易泄漏出来。因此，本方法制备的纳米相变材料可以不经过沉降、脱水、干燥、粉碎处理，直接与建筑材料基体复合，可制得相变储能建筑材料。又由于硅酸盐未经有机改性，此纳米相变材料与无机建筑材料基体具有更好的相容性，对建筑材料的力学性能将不会产生不良影响。因此这种纳米复合相变材料可以直接加入到混凝土或石膏等建筑基材中。当然，也可以将水包油结构的纳米复合相变材料进行沉降、脱水、干燥、粉碎处理，以便将它们加入到纺织纤维中或其它需要储能的应用场合。

本发明的方法包括以下步骤：

纳米复合相变材料由相变材料、层状硅酸盐粉料和去离子水组成，其各组份的重量份如下：

相变材料           10-50份，

层状硅酸盐粉料     5-60份，

去离子水           20-70份。

所说的相变材料的相变点为20-80℃。

所说的相变材料可以为脂肪族烃化合物，如石蜡、正十六烷、正十八烷、二十烷、二十五烷、二十六烷、二十九烷、三十五烷、三十六烷；

所说的相变材料可以为酸类化合物如葵酸、月桂酸、十四烷酸、十五烷酸、软脂酸、硬脂酸、二十烷酸；

所说的相变材料可以为酯类化合物如硬脂酸正丁酯、硬脂酸正己酯、硬脂酸正戊酯；可以是上述有机化合物的一种或两种以上的均匀混合物。

所说的层状硅酸盐为蒙脱土或膨润土或高岭土或陶土或滑石粉或云母粉。可以是上述的一种或两种以上的均匀混合物。

具体步骤如下：

(1)将相变材料加热至完全熔融；

(2)将层状硅酸盐粉料在水中用高剪切混合乳化机进行分散，制成层状硅酸盐凝胶态水分散体；

(3)将熔融态相变材料加入到层状硅酸盐水分散体中，用高剪切混合乳化机进行高速搅拌，形成水包油结构的纳米复合相变材料。

相变材料的相变点为20-80℃，高剪切混合乳化机转速为2000-3500转/分钟，搅拌10-40分钟左右。

本发明与现在技术相比有如下有益效果：

1.本发明所说的层状硅酸盐为未经改性，此纳米相变材料与无机建筑材料基体具有更好的相容性，对建筑材料的力学性能将不会产生不良影响。因此这种纳米复合相变材料可以直接加入到混凝土或石膏等建筑基材中。因而可大大降低工艺复杂性及制备成本。

2.这种纳米复合相变材料是水包油结构，可以直接加入到建筑材料中(如混凝土、石膏等)，它们的相容性好，对建筑材料的机械性能影响小。

3.形成的纳米搭接结构和插层结构相比，能够包容更多的相变材料。相对于插层复合法，本发明的水凝胶复合相变材料制备简单，相变材料贮热量大，和建筑材料的相容性好，具有更强的应用前景。

具体实施方法

实施例1：

在烧杯中，加入50份相变材料，13份固体石蜡和37份液体石蜡组成50份相变材料，混合物的相变温度为30℃，加热至固体石蜡完全熔融。用玻棒搅拌均匀。

在烧杯中，加入40份去离子水与10份蒙脱土，先搅拌至蒙脱土基本分散后，再在高剪切混合乳化机下进行高速剪切，高剪切混合乳化机转速为2500转/分钟，搅拌30分钟左右，形成均匀的蒙脱土凝胶态水分散体。

在烧杯中，将50份蒙脱土凝胶态水分散体和50份相变材料(熔融状态)混合，然后用高剪切混合乳化机下进行高速剪切搅拌，转子为3000转/分钟，大约10分钟后，体系将会形成稳定的水包油结构的复合相变材料，外观为均匀的凝胶状。将此复合物直接加到混凝土建筑基材中，制得相变储能建筑材料。

将此凝胶完全干燥，其相变温度为31.2℃，相变焓为118.3J/g。

实施例2

在烧杯中，加入45份相变材料，15份固体石蜡和30份液体石蜡组成45份相变材料，混合物的相变温度为42℃，加热至固体石蜡完全熔融。用玻棒搅拌均匀。

在烧杯中，加入50份去离子水与5份高岭土，先搅拌至高岭土基本分散后，再在高剪切混合乳化机下进行高速剪切，转速为2500转/分钟，搅拌20分钟左右，形成均匀的高岭土凝胶态水分散体。

将55份高岭土凝胶态水分散体和45份相变材料(熔融状态)混合，然后用高剪切混合乳化机下进行高速剪切搅拌，转子为3000转/分钟，大约10分钟后，体系将会形成均匀的水包油结构的复合相变材料，外观为均匀的凝胶状。将此复合物直接加到石膏建筑基材中，制得相变储能建筑材料。

将此凝胶完全干燥，测得其相变温度为42.8℃，相变焓为135.3J/g。

实施例3

在烧杯中，加入45份相变材料，45份硬脂酸正丁酯组成相变材料，硬脂酸正丁酯相变温度为22℃，加热至熔融状态，用玻棒搅拌均匀。

在烧杯中，加入40份去离子水与15份滑石粉，先搅拌至滑石粉基本分散后，再在高剪切混合乳化机下进行高速剪切，转速为2500转/分钟，搅拌30分钟左右，形成均匀的凝胶态水分散体。

将55份滑石粉凝胶态水分散体和45份硬脂酸正丁酯混合，然后用高剪切混合乳化机下进行高速剪切搅拌，转子为3000转/分钟，大约15分钟后，体系将会形成均匀的水包油结构，外观为均匀的凝胶状。

将此凝胶完全干燥，其相变温度为23.6℃，相变焓为102.3 J/g

实施例4

在烧杯中，加入50份去离子水与10份蒙脱土，先搅拌至蒙脱土基本分散后，再在高剪切混合乳化机下进行高速剪切(转速为2500转/分钟)，搅拌30分钟左右，形成均匀的蒙脱土凝胶态水分散体。

在烧杯中，加入10份月桂酸和30份硬酯酸组成的相变材料，混合物相变温度为52℃，加热至混合物完全熔融。用玻棒搅拌均匀。

将60份蒙脱土凝胶态水分散体和40份相变材料(熔融状态)混合，然后用高剪切混合乳化机下进行高速剪切搅拌，转子为3000转/分钟，大约10分钟后，体系将会形成均匀的水包油结构复合相变材料，外观为均匀的凝胶状。将此复合相变材料进行沉降、脱水、干燥、粉碎处理，可加入到水泥砂浆中，做储能砂浆层。

将此凝胶完全干燥，其相变温度为53.1℃，相变焓为157.2 J/g。

Claims (3)

1、一种纳米复合相变材料，其特征是由相变材料、层状硅酸盐粉料和去离子水组成，其各组份的重量份如下：

相变材料         10-50份，

层状硅酸盐粉料   5-60份，

去离子水         20-70份；

所说的相变材料的相变点为20-80℃；

所说的相变材料为石蜡、正十六烷、正十八烷、二十烷、二十五烷、二十六烷、二十九烷、三十五烷、三十六烷、葵酸、月桂酸、十四烷酸、十五烷酸、软脂酸、硬脂酸、二十烷酸、硬脂酸正丁酯、硬脂酸正己酯、硬脂酸正戊酯的一种或两种以上的均匀混合物；

所说的层状硅酸盐粉料为蒙脱土、膨润土、高岭土、陶土、滑石粉、云母粉的一种或两种以上的均匀混合物。

2、一种纳米复合相变材料制备方法，其特征是

由相变材料、层状硅酸盐粉料和去离子水组成，其各组份的重量份如下：

相变材料         10-50份，

层状硅酸盐粉料   5-60份，

去离子水         20-70份；

所说的相变材料的相变点为20-80℃；

所说的相变材料为石蜡、正十六烷、正十八烷、二十烷、二十五烷、二十六烷、二十九烷、三十五烷、三十六烷、葵酸、月桂酸、十四烷酸、十五烷酸、软脂酸、硬脂酸、二十烷酸、硬脂酸正丁酯、硬脂酸正己酯、硬脂酸正戊酯的一种或两种以上的均匀混合物；

所说的层状硅酸盐粉料为蒙脱土、膨润土、高岭土、陶土、滑石粉、云母粉的一种或两种以上的均匀混合物；

具体步骤如下：

(1)将相变材料加热至完全熔融；

(2)将层状硅酸盐粉料在水中用高剪切混合乳化机进行分散，制成层状硅酸盐凝胶态水分散体；

(3)将熔融态相变材料加入到层状硅酸盐水分散体中，用高剪切混合乳化机进行高速搅拌，形成水包油结构的纳米复合相变材料。

3、根据权利要求2所述的一种纳米复合相变材料制备方法，其特征是高剪切混合乳化机转速为2500-3500转/分钟，搅拌10-30分钟。