CN102827583B - 相变复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相变复合材料及其制备方法。所述相变复合材料由重量比为(0.55～0.75):1:(0.5～2.0)的相变材料、膨胀珍珠岩颗粒和聚合物乳液组成；聚合物乳液包裹在吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒表面；相变材料为十烷酸、十二烷酸、十四烷酸、十六烷酸、十八烷酸中任意3～4种的共混物。其制备方法为将相变材料利用真空吸附工艺与膨胀珍珠岩相结合，并以聚合物乳液将相变材料与膨胀珍珠岩的结合体包裹制备而成。本发明的相变复合材料相变储能量大、封闭性能好、材料来源广泛、成本低，可替代或部分替代现有无机保温砂浆中的保温骨料用于建筑内、外保温，也可以与水泥、石膏等无机胶凝材料混合后制备板材制品。
Description
技术领域
本发明属建筑节能材料技术领域，具体涉及一种相变复合材料及其制备方法。
背景技术
能源是人类社会生存和发展的血液,在电力供电引起的能源和环境危机越来越被人们关注的情况下,如何开发出新的绿色能源以及提高能源的利用率显得尤为重要。
相变储能材料可以从环境中吸收能量和向环境中释放能量,较好地解决了能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾,从而有效地提高了能量的利用率。同时相变储能材料在相变过程中温度基本上保持恒定,能够用于调控周围环境的温度,并且能重复使用。相变储能材料的这些特性使得其在电力“移峰填谷”、工业与民用建筑和空调的节能、纺织品以及军事等领域有着广泛的应用前景。
将相变材料掺入到现有的建筑材料中,制成相变蓄能围护结构,可以大大增强围护结构的蓄热功能,使得少量的材料就可以储存大量的热量。由于相变蓄能结构的储热作用,建筑物室内和室外之间的热流波动幅度被减弱,作用时间被延迟,从而可以降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷,达到节能的目的。
相变储能材料及其在建筑节能中的应用研究可分为两个层面。第一个层面：相变储能与建筑节能的理论研究。清华大学张寅平教授在这方面做了较多的工作，建立了分析夏季结合夜间通风的相变墙房间热性能的理论模型，分析了我国不同地区使用夏季型相变墙体的不同性能，并提出在我国新疆地区利用相变墙体的效果比较好。同时他还深入研究了相变蓄热地板电采暖系统，利用相变材料蓄热量大的特点，提高室内的热舒适性，同时在实行峰谷电价的地区，可以节省电费。清华的钟志鹏对结合夜间通风用的相变墙板的热性能进行了模拟分析，也通过模型的预测对相变墙板的热设计提出了一些比较有参考价值的建议。清华的康艳兵提出了夜间通风相变蓄能系统，并建立了系统的运行效果的数学模型，并通过试验装置，测量了系统的有关性能参数，而且分析了夜间通风系统的一般规律，为相变蓄能吊顶的推广应用奠定了理论基础。第二个层面：复合定形相变材料的的研究。叶宏等人研究了石蜡（熔点58℃）和高聚乙烯组成的定形相变材料的结构和性能，并进行理化分析。肖敏等人研究了石蜡和热塑弹性体SBS组成的复合相变材料的热传导性能，其中石蜡的质量百分数是20％～80％。秦鹏华等人对熔点为60～62℃的石蜡分别和高聚乙烯、低聚乙烯混合后形成的定形相变材料的潜热、稳定性和均匀性进行了分析，并研究了定形材料与混凝土混合后材料的热性能。蔡利海、张兴祥等人研究了以石蜡为囊心，三聚氰胺－甲醛树脂为壁材，具有蓄热调温功能的相变材料微胶囊。闫全英等人研究了低熔点石蜡和高聚乙烯形成的定形相变材料的相变温度和相变潜热，证明其应用于相变墙体中的可行性。然而，以上几种相变复合材料均存在以下不足之处：1、适用于建筑节能的相变材料的最佳相变温度范围为25～35℃，而上述相变复合材料的相变温度范围不能与建筑节能很好的适用。2、石蜡类相变复合材料相变焓不高，单位使用量下调温效果欠佳。3、机械性能和耐久性差。在以往研究中对相变材料在使用过程中的保护性措施研究不多，或是简单将相变材料包裹制备微胶囊，缺少支撑结构，机械性能和耐久性差，容易被破坏。4、并没有提出一个切实可行的建筑节能解决方案。利用以上技术制备的相变材料或者相变复合材料在建筑材料中的应用适应性和应用方式缺乏有效的验证和深入研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种相变复合材料及其制备方法。本发明利用真空吸附工艺，将由3～4种脂肪酸共混制成的相变材料与膨胀珍珠岩相结合，并以聚合物乳液将相变材料与膨胀珍珠岩的结合体包裹制备而成。本发明所述相变复合材料相变储能量大、封闭性能好、材料来源广泛、成本低，可替代或部分替代现有无机保温砂浆中的保温骨料用于建筑内保温和建筑外保温，也可以与水泥、石膏等无机胶凝材料混合后制备板材制品。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及一种相变复合材料，由相变材料、膨胀珍珠岩颗粒和聚合物乳液组成；所述膨胀珍珠岩颗粒为相变材料的吸附载体,所述聚合物乳液包裹在吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒表面；所述相变材料为十烷酸、十二烷酸、十四烷酸、十六烷酸、十八烷酸中任意3～4种的共混物；所述相变材料、膨胀珍珠岩颗粒、聚合物乳液的重量比为(0.55～0.75):1:(0.5～2.0)。
优选地，所述相变材料为十烷酸、十二烷酸、十四烷酸的共混物，十烷酸、十二烷酸、十四烷酸、十六烷酸的共混物和十烷酸、十四烷酸、十八烷酸的共混物中的一种或几种。
优选地，所述十烷酸、十二烷酸、十四烷酸的共混物中各组分占总重的重量百分比含量分别为：十烷酸：25%～37.5%，十二烷酸：33%，十四烷酸：29.5%～42%。
优选地，所述十烷酸、十二烷酸、十四烷酸、十六烷酸的共混物中各组分占总重的重量百分比含量分别为：十烷酸：25%～37.5%，十二烷酸：34.5%，十四烷酸：12.5%～25%，十六烷酸：15.5%。
优选地，所述十烷酸、十四烷酸、十八烷酸的共混物中各组分占总重的重量百分比含量分别为：十烷酸：25%～37.5%，十四烷酸：44.5%～57%，十八烷酸：18%。
优选地，所述膨胀珍珠岩颗粒的堆积密度为70～200kg/m3，导热系数≤0.056W/(m.k)，孔隙率为75%～80%，抗压强度为350～450kPa，所述膨胀珍珠岩颗粒中粒径分布在1.18mm～2.36mm之间的颗粒占总重的重量百分比含量大于98%。
优选地，所述聚合物乳液为丙烯酸乳液或苯丙乳液。
优选地，所述聚合物乳液的固含量为25～48%，成膜温度为-10℃～18℃，粘度为50～5000mPa.S。
优选地，所述聚合物乳液形成的包裹膜层厚度为0.02～0.05mm。
本发明还涉及一种前述的相变复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）、在0℃～20℃，将100重量份的膨胀珍珠岩颗粒和55～75重量份的相变材料放入密闭容器中，抽真空至75～80kPa；所述相变材料为十烷酸、十二烷酸、十四烷酸、十六烷酸、十八烷酸中任意3～4种的共混物；
2）、在75～80kPa真空压下，将温度升至65～70℃，并保温2～4h，然后降温至0℃～20℃，取出已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒；
3）、将步骤2）制备的吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒置于可以使物料连续翻转的旋转容器中，将50～200重量份的聚合物乳液以雾状喷洒在所述吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒表面，继续翻转物料至表面干燥即得。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明采用由3～4种脂肪酸共混制成的相变材料，相变材料的相变温度范围在25～35℃之间，是最适合应用于建筑内、外保温调节室内温度的范围；本发明共混脂肪酸类材料制备的相变材料具有较高的相变焓，与结晶水合盐类、石蜡类、单一组分或双组份脂肪酸类相变材料相比更具有实用性；本发明共混脂肪酸类材料制备的相变材料具有良好的循环熔融、结晶稳定的热性能，无过冷和析出现象、熔点适中。
（2）本发明采用膨胀珍珠岩作为对相变材料的吸附载体材料，并对其堆积密度、导热系数、孔隙率、抗压强度和粒径等有严格的限定，通过对这些指标的限定，可以大大提高相同条件下真空吸附的效率。
（3）本发明采用固含量25～48%，成膜温度为-10℃～18℃，粘度为50～5000mPa.S的丙烯酸乳液或苯丙乳液为包裹材料，密封性好，成膜迅速，膜层较薄，将大大节省乳液用量并大大提高颗粒密封工艺的工作效率。
（4）本发明在0℃～20℃进行颗粒表面封闭处理，相变材料为固体状态，减少封闭过程中，相变材料从膨胀珍珠岩微孔中损失量。同时本发明采用将聚合乳液喷洒在膨胀珍珠岩颗粒表面的封闭工艺，该工艺使成膜均匀，减少乳液用量，提高封闭工艺工作效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
将由十酸、十二酸、十四酸按重量比分别为25%、33%和42%共混制成的相变材料55重量份、膨胀珍珠岩颗粒100重量份，在18℃环境下放入密闭容器中，抽真空至75kPa，保持真空压不变，将密闭容器加热升温至65℃，并保温2h，逐渐降温至18℃，取出已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒。将已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒置于可以使物料连续翻转的旋转容器中，将73.5重量份的聚合物乳液以雾状喷洒至其表面，得到的颗粒表面膜厚为0.03mm，继续翻转物料至表面干燥即得。所选用的聚合物乳液为联邦化工3099苯丙乳液。
经过检测本实例技术方案制备的相变复合材料的性能如表1所示：
表1
由表1可知，本实施例的相变温度范围25～28℃，是最适合应用于建筑内、外保温调节室内温度的范围；本实施例采用的相变材料的相变焓较高，制得的相变复合材料的相变焓也较石蜡类相变复合材料的相变焓高出较多，在单位使用量下具有较好的调温效果；本实施例中采用的膨胀珍珠岩颗粒在制得的相变复合材料中还起到支撑作用，很好地保障了相变复合材料的机械性能和耐久性能。
总之，本实施例制备的相变复合材料相变储能量大、封闭性能好、材料来源广泛、成本低，可替代或部分替代现有无机保温砂浆中的保温骨料，也可以与水泥、石膏等无机胶凝材料混合后制备板材制品。
实施例2
将由十酸、十二酸、十四酸按重量比分别为37.5%、33%和29.5%共混制成的相变材料75重量份、膨胀珍珠岩100重量份，在20℃环境下放入密闭容器中，抽真空至80kPa，保持真空压不变，将密闭容器加热升温至70℃，并保温4h，逐渐降温至18℃，取出已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒。将已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒置于可以使物料连续翻转的旋转容器中，将200重量份的聚合物乳液以雾状喷洒至其表面，得到的颗粒表面膜厚为0.05mm，继续翻转物料至表面干燥即得。所选用的聚合物乳液为联邦化工A-119丙烯酸乳液。
经过检测本实例技术方案制备的相变复合材料的性能如表2所示：
表2
由表2可知，本实施例的相变温度范围28～32℃，是最适合应用于建筑内、外保温调节室内温度的范围；本实施例采用的相变材料的相变焓较高，制得的相变复合材料的相变焓也较石蜡类相变复合材料的相变焓高出较多，在单位使用量下具有较好的调温效果；本实施例中采用的膨胀珍珠岩颗粒在制得的相变复合材料中还起到支撑作用，很好地保障了相变复合材料的机械性能和耐久性能。
总之，本实施例制备的相变复合材料相变储能量大、封闭性能好、材料来源广泛、成本低，可替代或部分替代现有无机保温砂浆中的保温骨料，也可以与水泥、石膏等无机胶凝材料混合后制备板材制品。
实施例3
将由十酸、十二酸、十四酸、十六酸按重量比分别为25%、34.5%、25%和15.5%共混制成的相变材料58重量份、膨胀珍珠岩100重量份，在0℃环境下放入密闭容器中，抽真空至78kPa，保持真空压不变，将密闭容器加热升温至68℃，并保温3h，逐渐降温至5℃，取出已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒。将已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒置于可以使物料连续翻转的旋转容器中，将50重量份的聚合物乳液以雾状喷洒至其表面，得到的颗粒表面膜厚为0.025mm，继续翻转物料至表面干燥即得。所选用的聚合物乳液为联邦化工A-119丙烯酸乳液。
经过检测本实例技术方案制备的相变复合材料的性能如表3所示：
表3
由表3可知，本实施例的相变温度范围25～30℃，是最适合应用于建筑内、外保温调节室内温度的范围；本实施例采用的相变材料的相变焓较高，制得的相变复合材料的相变焓也较石蜡类相变复合材料的相变焓高出较多，在单位使用量下具有较好的调温效果；本实施例中采用的膨胀珍珠岩颗粒在制得的相变复合材料中还起到支撑作用，很好地保障了相变复合材料的机械性能和耐久性能。
总之，本实施例制备的相变复合材料相变储能量大、封闭性能好、材料来源广泛、成本低，可替代或部分替代现有无机保温砂浆中的保温骨料，也可以与水泥、石膏等无机胶凝材料混合后制备板材制品。
实施例4
将由十酸、十二酸、十四酸、十六酸按重量比分别为37.5%、34.5%、12.5%和15.5%共混制成的相变材料72重量份、膨胀珍珠岩100重量份，在18℃环境下放入密闭容器中，抽真空至75kPa，保持真空压不变，将密闭容器加热升温至70℃，并保温4h，逐渐降温至12℃，取出已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒。将已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒置于可以使物料连续翻转的旋转容器中，将183.9重量份的聚合物乳液以雾状喷洒至其表面，得到的颗粒表面膜厚为0.05mm，继续翻转物料至表面干燥即得。所选用的聚合物乳液为联邦化工3099苯丙乳液。
经过检测本实例技术方案制备的相变复合材料的性能如表4所示：
表4
由表4可知，本实施例的相变温度范围30～35℃，是最适合应用于建筑内、外保温调节室内温度的范围；本实施例采用的相变材料的相变焓较高，制得的相变复合材料的相变焓也较石蜡类相变复合材料的相变焓高出较多，在单位使用量下具有较好的调温效果；本实施例中采用的膨胀珍珠岩颗粒在制得的相变复合材料中还起到支撑作用，很好地保障了相变复合材料的机械性能和耐久性能。
总之，本实施例制备的相变复合材料相变储能量大、封闭性能好、材料来源广泛、成本低，可替代或部分替代现有无机保温砂浆中的保温骨料，也可以与水泥、石膏等无机胶凝材料混合后制备板材制品。
实施例5
将由十酸、十四酸、十八酸按重量比分别为25%、57%和18%共混制成的相变材料60重量份、膨胀珍珠岩100重量份，在5℃环境下放入密闭容器中，抽真空至76kPa，保持真空压不变，将密闭容器加热升温至65℃，并保温2h，逐渐降温至0℃，取出已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒。将已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒置于可以使物料连续翻转的旋转容器中，将60重量份的聚合物乳液以雾状喷洒至其表面，得到的颗粒表面膜厚为0.02mm，继续翻转物料至表面干燥即得。所选用的聚合物乳液为联邦化工3099苯丙乳液。
经过检测本实例技术方案制备的相变复合材料的性能如表5所示：
表5
由表5可知，本实施例的相变温度范围26～30℃，是最适合应用于建筑内、外保温调节室内温度的范围；本实施例采用的相变材料的相变焓较高，制得的相变复合材料的相变焓也较石蜡类相变复合材料的相变焓高出较多，在单位使用量下具有较好的调温效果；本实施例中采用的膨胀珍珠岩颗粒在制得的相变复合材料中还起到支撑作用，很好地保障了相变复合材料的机械性能和耐久性能。
总之，本实施例制备的相变复合材料相变储能量大、封闭性能好、材料来源广泛、成本低，可替代或部分替代现有无机保温砂浆中的保温骨料，也可以与水泥、石膏等无机胶凝材料混合后制备板材制品。
实施例6
将由十酸、十四酸、十八酸按重量比分别为37.5%、44.5%和18%共混制成的共混物和由十酸、十二酸、十四酸按重量比分别为37.5%、33%和29.5%共混制成的共混物以1:1的重量比混合而成的相变材料70重量份、膨胀珍珠岩100重量份，在10℃环境下放入密闭容器中，抽真空至75kPa，保持真空压不变，将密闭容器加热升温至70℃，并保温4h，逐渐降温至18℃，取出已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒。将已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒置于可以使物料连续翻转的旋转容器中，将150重量份的聚合物乳液以雾状喷洒至其表面，得到的颗粒表面膜厚为0.04mm，继续翻转物料至表面干燥即得。所选用的聚合物乳液为联邦化工A-119丙烯酸乳液。
经过检测本实例技术方案制备的相变复合材料的性能如表6所示：
表6
由表6可知，本实施例的相变温度范围25～28℃，是最适合应用于建筑内、外保温调节室内温度的范围；本实施例采用的相变材料的相变焓较高，制得的相变复合材料的相变焓也较石蜡类相变复合材料的相变焓高出较多，在单位使用量下具有较好的调温效果；本实施例中采用的膨胀珍珠岩颗粒在制得的相变复合材料中还起到支撑作用，很好地保障了相变复合材料的机械性能和耐久性能。
总之，本实施例制备的相变复合材料相变储能量大、封闭性能好、材料来源广泛、成本低，可替代或部分替代现有无机保温砂浆中的保温骨料，也可以与水泥、石膏等无机胶凝材料混合后制备板材制品。
上述实施例1～6中，采用的膨胀珍珠岩颗粒的堆积密度为70～200kg/m3，导热系数≤0.056W/(m.k)，孔隙率为75%～80%，抗压强度为350～450kPa，所述膨胀珍珠岩颗粒中粒径分布在1.18mm～2.36mm之间的颗粒占总重的重量百分比含量大于98%；采用上述具体限定的膨胀珍珠岩颗粒可以大大提高相同条件下真空吸附相变材料的效率。采用固含量25～48%，成膜温度为-10℃～18℃，粘度50～5000mPa.S的丙烯酸乳液或苯丙乳液为包裹材料，密封性好，成膜迅速，膜层较薄，并配合本发明所采用的将聚合乳液喷洒在膨胀珍珠岩表面的封闭工艺，将大大节省乳液用量并大大提高颗粒密封工艺工作效率。在0℃～20℃进行颗粒表面封闭处理，相变材料为固体状态，减少封闭过程中，相变材料从膨胀珍珠岩中损失量。
综上所述，本发明共混脂肪酸类材料制备的相变复合材料具有较高的相变焓，与结晶水合盐类、石蜡类、单一组分或双组份脂肪酸类相变材料相比更具有实用性；本发明共混脂肪酸类材料制备的相变复合材料具有良好的循环熔融、结晶稳定的热性能，无过冷和析出现象、熔点适中。此外，本发明的相变复合材料相变温度适中、相变储能量大、封闭性能好，可替代或部分替代现有无机保温砂浆中的保温骨料用于建筑内保温和建筑外保温，也可以与水泥、石膏等无机胶凝材料混合后制备板材制品。
Claims (5)
1.一种相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述相变复合材料由相变材料、膨胀珍珠岩颗粒和聚合物乳液组成；所述膨胀珍珠岩颗粒为相变材料的吸附载体,所述聚合物乳液包裹在吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒表面；所述相变材料、膨胀珍珠岩颗粒、聚合物乳液的重量比为(0.55～0.75):1:(0.5～2.0)；所述相变材料为十烷酸、十二烷酸、十四烷酸的共混物，十烷酸、十二烷酸、十四烷酸、十六烷酸的共混物或十烷酸、十四烷酸、十八烷酸的共混物；所述膨胀珍珠岩颗粒的堆积密度为70～200kg/m3，导热系数≤0.056W/(m.k)，孔隙率为75％～80％，抗压强度为350～450kPa，所述膨胀珍珠岩颗粒中粒径分布在1.18mm～2.36mm之间的颗粒占总重的重量百分比含量大于98％；所述聚合物乳液为丙烯酸乳液或苯丙乳液；所述聚合物乳液的固含量为25～48％，成膜温度为-10℃～18℃，粘度为50～5000mPa.S；
所述相变复合材料的制备方法包括如下步骤：
1)、在0℃～20℃，将100重量份的膨胀珍珠岩颗粒和55～75重量份的相变材料放入密闭容器中，抽真空至75～80kPa；
2)、在75～80kPa真空压下，将温度升至65～70℃，并保温2～4h，然后降温至0℃～20℃，取出已经吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒；
3)、将步骤2)制备的吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒置于可以使物料连续翻转的旋转容器中，将50～200重量份的聚合物乳液以雾状喷洒在所述吸附了相变材料的膨胀珍珠岩颗粒表面，继续翻转物料至表面干燥即得。
2.如权利要求1所述的相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述十烷酸、十二烷酸、十四烷酸的共混物中各组分占总重的重量百分比含量分别为：十烷酸：25％～37.5％，十二烷酸：33％，十四烷酸：29.5％～42％。
3.如权利要求1所述的相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述十烷酸、十二烷酸、十四烷酸、十六烷酸的共混物中各组分占总重的重量百分比含量分别为：十烷酸：25％～37.5％，十二烷酸：34.5％，十四烷酸：12.5％～25％，十六烷酸：15.5％。
4.如权利要求1所述的相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述十烷酸、十四烷酸、十八烷酸的共混物中各组分占总重的重量百分比含量分别为：十烷酸：25％～37.5％，十四烷酸：44.5％～57％，十八烷酸：18％。
5.如权利要求1所述的相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物乳液形成的包裹膜层厚度为0.02～0.05mm。
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