CN103059817A - 复合定型相变材料、制备方法及利用该相变材料制备的储热砂浆 - Google Patents
复合定型相变材料、制备方法及利用该相变材料制备的储热砂浆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种相变材料及利用该相变材料制备的储热砂浆。该相变材料包含：1份有机层状材料，1～4份导热增强剂，10～20份有机相变材料，所述份数均为重量份。该相变材料具有优良的储热效果和阻燃性能，并且与基体材料间相容性好。利用该相变材料制备的储热砂浆包括：1份水泥、1.5～2.5份细集料、0.1～0.25份轻集料、0.1～0.3份复合定型相变材料、0.005～0.02份粘结剂、0.001～0.004份保水剂、0.001～0.0025份纤维、0.75～0.9份水，所述份数均为重量份。该砂浆具有高储热速率，可改善建筑的热舒适性，降低建筑能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变材料，还涉及一种利用该相变材料制备的储热砂浆。
背景技术
能源是人类赖以生存的基础。随着人们生活水平的提高，对能源的需求越来越大，但能源的储量却日趋减少，加上对能源的利用率不高，使得能源的供给矛盾日趋紧张。开发新能源和提高能源的利用率成为缓解能源供给矛盾的主要途径。
相变储能是利用相变材料的相变潜热进行能量储存的一项新型环保节能技术，是利用物质发生相变时需要吸收(或放出)大量热量的性质来贮热的，具有贮热密度高、设备体积小、热效率高以及吸放热为恒温过程等优点。其在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑采暖与空调的节能等领域具有广泛的应用前景。
目前相变材料应用到建筑材料中的封装方法有以下几种：一是，直接将相变材料封装在适当的容器中，然后置于建筑围护结构中；二是，将相变材料封装到乙烯、黏土等基质内形成颗粒状定型相变材料；三是，利用真空吸附将熔化的相变材料吸附到多孔的建筑材料中。其中，将相变材料封装到载体基质内形成颗粒状定型相变材料的方法具有较好的热稳定性，导热性与阻燃性，且工艺简单，目前受到国内外的广泛关注与研究。
中国专利文献CN101654350A介绍了一种以石墨为基体的相变复合材料制备的储热砂浆；CN102408877A介绍了一种以高密度聚乙烯为基体的复合相变材料制备的储热砂浆；CN101671149A介绍了以微胶囊化相变材料制备储热砂浆。这些专利文献中使用的复合相变材料的封装材料均是石墨或有机材料，它们与水泥基材料的相容性很差，并且有机材料易燃，会带来相变蓄热砂浆应用过程中耐久性与安全性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合定型相变材料，使其具有优良的储热效果和阻燃性能，并且与基体材料间相容性好。
本发明的目的还在于提供一种利用上述复合定型相变材料制备的储热砂浆，使该砂浆具有高储热速率，可改善建筑的热舒适性，降低建筑能耗。
本发明的复合定型相变材料，包含如下组分：1份有机层状材料，1～4份导热增强剂，10～20份有机相变材料，所述份数均为重量份；
其中，所述有机层状材料是由层状结构材料经过有机化处理后制得的，所述层状结构材料为蒙脱土、蛭石或水滑石中的任意一种。
所述导热增强剂选自片状石墨、膨胀石墨、炭黑、碳纳米管或多层石墨烯中的任意一种。
所述有机相变材料为石蜡或脂肪酸，优选为石蜡、癸酸、月桂酸或棕榈酸中的一种或两种以上任意比例的混合物。
上述复合定型相变材料的制备方法：
第一步,将层状结构材料和去离子水混合均匀后加入有机处理剂，然后调pH5-7，搅拌2～3h后过滤，用去离子水洗涤沉淀得有机层状材料；
第二步,将导热增强剂、有机层状材料、有机相变材料在有机溶剂中超声6～8h，然后过滤去除有机溶剂，将滤渣烘干研磨后即得粉末状复合定型相变材料。
上述制备方法中，所述去离子水用量为层状结构材料质量的20-30倍，所述有机处理剂用量为层状结构材料质量的0.3-0.5倍。所述有机处理剂为十四烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵溶液。
上述制备方法中，所述有机溶剂为乙醇或异丙醇。
利用上述复合定型相变材料制备的砂浆，其包含如下组分：1份水泥、1.5～2.5份细集料、0.1～0.25份轻集料、0.1～0.3份复合定型相变材料、0.005～0.02份粘结剂、0.001～0.004份保水剂、0.001～0.0025份纤维、0.75～0.9份水，所述份数均为重量份。
其中，所述水泥为普通硅酸盐水泥，细集料为细度模数约为2.5～2.7的中砂，轻集料为膨胀珍珠岩或玻璃微珠，粘结剂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物，保水剂选自羟丙基甲基纤维素醚、甲基纤维素、羟乙基纤维素或淀粉醚中的一种，纤维选自聚丙烯纤维、木质素纤维或玄武岩纤维中的一种。
按上述砂浆的配方制备砂浆，砂浆的制备工艺为本领域公知，通常是：按配方称取各种组分，先向搅拌锅内加入水泥和复合定型相变材料，混匀后再加入粘结剂和保水剂，然后搅拌混匀，再加入水，搅拌混匀后加入细集料和轻集料，然后边搅拌边加入纤维，混匀后即得。
本发明复合定型相变材料以及利用其制备的储热砂浆是利用层状材料层间存在大界面效应，嵌入到纳米层间的有机相变材料在发生固液相变时很难从其层间解嵌出来，且层状材料化学成分与水泥相似，解决了相变材料与水泥基的不容性问题，同时层状材料又可显著提高阻燃性。导热增强剂可解决有机相变材料导热低的问题，显著提高砂浆的储热速率，同时导热增强剂也可提高阻燃性。
附图说明
图1为石蜡和复合定型相变材料的温度-时间变化曲线；
图2为储热过程箱体中心处温度-时间变化曲线；
图3为放热过程箱体中心处温度-时间变化曲线。
具体实施方式
复合定型相变材料实施例
实施例1
称取30g蒙脱土与800ml去离子水混合搅拌均匀,称取12g十六烷基三甲基氯化铵溶于160ml去离子水后倒入蒙脱土悬浮液中，调节PH值至6，在60℃水浴锅中搅拌3h后过滤、洗涤、沉淀，干燥至恒重得有机蒙脱土。
称取膨胀石墨50g、有机蒙脱土25g、石蜡300g置于一定量的乙醇溶剂中，超声处理6～8h，去除有机溶剂，烘干研磨得粉末状复合定型相变材料PCM1。
实施例2
称取15g蒙脱土与400ml去离子水混合搅拌均匀,称取6g十六烷基三甲基溴化铵溶于80ml去离子水后倒入蒙脱土悬浮液中，调节PH值至6，在60℃水浴锅中搅拌3h后过滤、洗涤、沉淀，干燥至恒重得有机蒙脱土。
称取膨胀石墨52g、有机蒙脱土13g、癸酸260g置于一定量的乙醇溶剂中，超声处理6～8h，去除有机溶剂，烘干研磨得粉末状复合定型相变材料PCM2。
实施例3
称取15g蛭石与400ml去离子水混合搅拌均匀,称取6g十六烷基三甲基氯化铵溶于80ml去离子水后倒入蛭石悬浮液中，调节PH值至6，在60℃水浴锅中搅拌3h后过滤、洗涤、沉淀，干燥至恒重得有蛭石。
称取炭黑52g、有机蛭石13g、石蜡260g置于一定量的乙醇溶剂中，超声处理6～8h，去除有机溶剂，烘干研磨得粉末状复合定型相变材料PCM3。
将实施例1-3制得的复合定型相变材料与市场上常用的相变材料石蜡进行性能测试对比，测试结果见表1。
储热砂浆实施例：
实施例4
选用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，细度模数约为2.5的中砂为细集料，轻集料为膨胀珍珠岩，粘结剂为醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物，保水剂为羟丙基甲基纤维素醚，按水泥：砂：膨胀珍珠岩：PCM1：粘结剂：保水剂：聚丙烯纤维：水的质量比为1：2.5：0.2：0.15：0.02：0.002：0.002：0.87称取各种组分，先向搅拌锅内加入水泥和PCM1，混匀后再加入粘结剂和保水剂，然后搅拌混匀，再加入水，搅拌混匀后加入细集料和轻集料，然后边搅拌边加入纤维，混匀后即得。测稠度和分层度。然后将制备好的砂浆装入模具，24h后拆模，标准养护28天后测试其性能,测试结果见表2。
实施例5
选用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，细度模数约为2.5的中砂为细集料，轻集料为膨胀珍珠岩，粘结剂为醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物，保水剂为羟丙基甲基纤维素醚，按水泥：砂：膨胀珍珠岩：PCM1：粘结剂：保水剂：聚丙烯纤维：水的质量比1：2.5：0.2：0.2：0.02：0.002：0.002：0.86称取各种组分，先向搅拌锅内加入水泥和PCM1，混匀后再加入粘结剂和保水剂，然后搅拌混匀，再加入水，搅拌混匀后加入细集料和轻集料，然后边搅拌边加入纤维，混匀后即得。测稠度和分层度。然后将制备好的砂浆装入模具，24h后拆模，标准养护28天后测试其性能,测试结果见表2。
实施例6
选用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，细度模数约为2.5的中砂为细集料，轻集料为膨胀珍珠岩，粘结剂为醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物，保水剂为羟丙基甲基纤维素醚，按水泥：砂：膨胀珍珠岩：PCM1：粘结剂：保水剂：聚丙烯纤维：水质量比1：2.5：0.2：0.25：0.02：0.002：0.002：0.9称取各种组分，先向搅拌锅内加入水泥和PCM1，混匀后再加入粘结剂和保水剂，然后搅拌混匀，再加入水，搅拌混匀后加入细集料和轻集料，然后边搅拌边加入纤维，混匀后即得。测稠度和分层度。然后将制备好的砂浆装入模具，24h后拆模，标准养护28天后测试其性能,测试结果见表2。
实施例7
选用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，细度模数约为2.5的中砂为细集料，轻集料为膨胀珍珠岩，粘结剂为醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物，保水剂为羟丙基甲基纤维素醚，按水泥：砂：膨胀珍珠岩：PCM2：粘结剂：保水剂：聚丙烯纤维：水质量比1：2.5：0.2：0.2：0.02：0.002：0.002：0.86称取各种组分，先向搅拌锅内加入水泥和PCM2，混匀后再加入粘结剂和保水剂，然后搅拌混匀，再加入水，搅拌混匀后加入细集料和轻集料，然后边搅拌边加入纤维，混匀后即得。测稠度和分层度。然后将制备好的砂浆装入模具，24h后拆模，标准养护28天后测试其性能,测试结果见表2。
实施例8
选用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，细度模数约为2.5的中砂为细集料，轻集料为膨胀珍珠岩，粘结剂为醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物，保水剂为羟丙基甲基纤维素醚，按水泥：砂：膨胀珍珠岩：PCM3：粘结剂：保水剂：聚丙烯纤维：水质量比1：2.5：0.2：0.2：0.02：0.002：0.002：0.86称取各种组分，先向搅拌锅内加入水泥和PCM3，混匀后再加入粘结剂和保水剂，然后搅拌混匀，再加入水，搅拌混匀后加入细集料和轻集料，然后边搅拌边加入纤维，混匀后即得。测稠度和分层度。然后将制备好的砂浆装入模具，24h后拆模，标准养护28天后测试其性能,测试结果见表2。
对比例
选用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，细度模数约为2.5的中砂为细集料，膨胀珍珠岩为轻集料，粘结剂为醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物，保水剂为羟丙基甲基纤维素醚，按水泥：砂：轻集料：粘结剂：保水剂：聚丙烯纤维：水质量比1：2.5：0.2：0.02：0.002：0.002：0.86称取各种组分，先向搅拌锅内加入水泥、粘结剂和保水剂，搅拌混匀，再加入水，搅拌混匀后加入细集料和轻集料，然后边搅拌边加入纤维，混匀后即得。测稠度和分层度。然后将制备好的砂浆装入模具，24h后拆模，标准养护28天后测试其性能,测试结果见表2。
性能测试:
（1）复合定型相变材料性能测试
复合定型相变材料储放热性能采用多路温度记录仪进行测试，相变温度用差示扫描量热仪（DSC）进行测试，导热系数采用TPS2500S型热常数分析仪进行测试，氧指数采用JF-3型氧指数测试仪进行测试。
表1复合定型相变材料性能测试
从表1可以看出，复合相变材料较纯有机相变材料导热系数明显增大，说明复合定型相变材料有高的储热和放热速率，氧指数显著增大，说明阻燃性能也得到提高。
图1为石蜡和复合定型相变材料（PCM1）的温度-时间曲线。从图1可直观看出，复合定型相变材料的储热时间和放热时间都明显缩短，说明本发明的复合定型相变材料具有高的储热和放热速率。
（2）储热砂浆性能测试
砂浆的稠度、分层度等指标的测定参照JGJ70-90《建筑砂浆基本性能的试验方法》进行。抗压强度、抗折强度参照GB177-85《水泥胶砂强度检测方法》进行，试件规格为40mm×40mm×160mm。加气混凝土砌筑、抹灰砂浆的粘结强度参照标准JC890-2001《加气混凝土专用砌筑砂浆与抹面砂浆》进行试验。砂浆的干缩性试验参照JGJ70-90《建筑砂浆基本性能的试验方法》进行，试件规格为40mm×40mm×160mm。各实施例的性能见表2：
表2储热砂浆性能测试
从表2可以看出，本发明的储热砂浆与对比例的普通储热砂浆相比导热系数明显增大，具有高的储热速率。
为了测试本发明的储热砂浆与普通储热砂浆的储放热性能,设计了300mm×300mm×300mm的立方体箱体，箱体上面用本发明的实施例4的储热砂浆板或对比例普通储热砂浆板做对比实验，其余五面用聚苯板。箱体上方25cm处悬挂热源碘钨灯，用多路温度测试仪分别测试箱体上面为普通砂浆板和相变砂浆板时箱体中心处温度的变化。
图2为储热过程箱体中心处温度-时间变化曲线。从图2可看出，对比例普通储热砂浆板箱体中心的升温速率略高于本发明实施例4的储热砂浆板箱体中心的升温速率，它们的温度值平均相差1.6℃，储热砂浆板箱体中心温度比普通储热砂浆板箱体中心温度最大低2.8℃。
图3为放热过程箱体中心处温度-时间变化曲线。从图3可以看出，本发明实施例4的储热砂浆板箱体中心的降温速率略低于对比例普通储热砂浆箱体中心，温度比对比例普通储热砂浆箱体中心平均高出1.4℃左右，最大温差为2.5℃。这表明了本发明的储热砂浆板对箱体内部保温的效果。
上述的对实例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种复合定型相变材料，其特征在于，包含如下组分：1份有机层状材料，1～4份导热增强剂，10～20份有机相变材料，所述份数均为重量份；
其中，所述有机层状材料是由层状结构材料经过有机化处理后制得的，所述层状结构材料为蒙脱土、蛭石或水滑石中的任意一种。
2.如权利要求1所述的复合定型相变材料，其特征在于，所述导热增强剂选自片状石墨、膨胀石墨、炭黑、碳纳米管或多层石墨烯中的任意一种。
3.如权利要求1所述的复合定型相变材料，其特征在于，所述有机相变材料选自石蜡、癸酸、月桂酸或棕榈酸中的一种或两种以上任意比例的混合物。
4.权利要求1或2或3任意一项所述的复合定型相变材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，将层状结构材料和去离子水混合均匀后加入有机处理剂，然后调pH5-7，搅拌2～3h后过滤，用去离子水洗涤沉淀得有机层状材料；
第二步，将导热增强剂、有机层状材料、有机相变材料在有机溶剂中超声6～8h，然后过滤去除有机溶剂，将滤渣烘干研磨后即得粉末状复合定型相变材料。
5.如权利要求4所述的复合定型相变材料的制备方法，其特征在于，所述去离子水用量为层状结构材料质量的20-30倍，所述有机处理剂用量为层状结构材料质量的0.3-0.5倍。
6.如权利要求4所述的复合定型相变材料的制备方法，其特征在于，所述有机处理剂为十四烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵溶液。
7.如权利要求4至6任一项所述的复合定型相变材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇或异丙醇。
8.利用权利要求1至3任一项所述复合定型相变材料制备的储热砂浆，其特征在于，包括如下组分：1份水泥、1.5～2.5份细集料、0.1～0.25份轻集料、0.1～0.3份复合定型相变材料、0.005～0.02份粘结剂、0.001～0.004份保水剂、0.001～0.0025份纤维、0.75～0.9份水，所述份数均为重量份。
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