CN103113850B - 一种新型复合相变蓄热材料及其制备方法 - Google Patents

一种新型复合相变蓄热材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合相变蓄热材料以及制备方法，该复合相变蓄热材料由有机相变物质和载体基质复合而成，其中载体基质为大孔材料，有机相变物质填充于所述载体基质的孔内。该方法首先将有机相变物质和固化剂在熔融状态下混合并进行预聚，形成预聚物；再将预聚物浇注进入大孔材料的孔内；然后在高于原料相变温度的条件下进行固化，得到复合相变材料。本发明的制备工艺简单，所制得的复合相变蓄热材料能够通过固-固相变进行蓄热放热，在实用过程中无需密封，容易成形，同时显著改善了相变材料的导热、导电性能。

Description

一种新型复合相变蓄热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合相变蓄热材料，尤其涉及一种有机相变物质和炭基复合的定形相变蓄热材料。
背景技术
相变材料（PCM）具有独特的潜热性能，在相变过程中，既可以从环境中吸收热量，又可以向环境释放热量，从而达到储存和释放热量的目的，所以在建筑采暖、空调节能、电力调峰、太阳能利用等领域有着广泛的应用。
固-液相变材料在储放热过程中，伴随固态-液态的转变，容易泄漏。因此必须对其进行封装，无法直接负载到大孔介质中。固-固相变材料，特别是高分子固-固相变材料，其优越性在于相变过程中无液体或者气体产生，体积变化小。在实用过程中有无需密封，容易成形，复合简单等特点。但是高分子相变材料本身也有致命的缺陷，就是导电、导热性差。同时，由于其分子量较大，所以粘度也比较大，故大量负载到介孔材料有一定难度。因此需要一种导热导电的大孔载体，来增加导电和导热性。
发明内容
本发明旨在改善高分子固-固相变材料的导电、导热性能，提供一种复合相变蓄热材料及其制备方法。本发明的特点是，采用有机相变物质作为储热材料，采用多孔的载体基质作为大孔骨架来改善复合相变材料的导热、导电性能。
本发明的复合相变蓄热材料，由有机相变物质和载体基质复合而成，所述载体基质为大孔材料，所述有机相变物质填充于所述载体基质的孔内。
优选地，所述有机相变物质选自高分子聚合物类的固-固相变材料中的一种或多种；比如可以选用不同分子量的PEG型聚氨酯等。
优选地，所述大孔材料的孔径为0.5-5mm。
优选地，所述大孔材料为多孔石墨材料。
优选地，所述复合相变蓄热材料中有机相变物质的含量为50~85wt%，载体基质的含量相应为50~15wt%。
本发明的制备上述复合相变蓄热材料的方法，包括以下步骤：
1）将有机相变物质和固化剂在在熔融状态下混合并进行预聚，形成预聚物；
2）将所述预聚物浇注进入大孔材料的孔内；
3）在高于原料相变温度的条件下进行固化，得到复合相变材料。
优选地，步骤1）在将有机相变物质和固化剂进行混合之前，对有机相变材料进行真空脱水处理。
优选地，步骤1）所述预聚的时间为10~200分钟。
优选地，步骤1）所述预聚的温度比所述有机相变物质的熔点高10℃。
优选地，步骤3）所述固化的温度比所述有机相变物质的熔点高15℃。
本发明采用一步熔融浇铸法，以有机相变物质和多孔的载体基质合成了一种高分子固-固相变储能/蓄热材料，其制备工艺与文献报道的其他制备工艺相比具有简单、省时的特点；所制得的复合相变蓄热材料，能够通过固-固相变进行蓄热放热，在实用过程中无需密封，容易成形；同时由于负载于多孔石墨材料中，显著改善了相变材料的导热、导电性能。
附图说明
图1为根据本发明的实施例1获得的原料DSC曲线；
图2为根据本发明的实施例1获得的样品DSC曲线；
图3为根据本发明的实施例1获得的样品电热转换曲线；
图4为本发明的实施例1所选用的大孔材料的形貌图；
图5为根据本发明的实施例1获得的复合相变材料的形貌图；
图6为根据本发明的实施例2获得的样品DSC曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做进一步说明。
实施例1：
本实施例的复合相变材料，其中所用相变材料（即有机相变物质）是分子量为2000～8000的聚乙二醇，其DSC曲线如图1所示。采用的固化剂为IPDI，大孔骨架为石墨型炭泡沫（其形貌如图4所示），孔径为0.5mm。所述的高分子相变材料在复合相变材料中的含量50~85wt%范围内。
本实施例的复合相变材料的制备过程是：
1）采用一步熔融聚合法制备预聚物：将相变材料在80～100℃下真空脱水3～4h后，加入IPDI，调节R值在1～2之间；于70～90℃下反应0.5～2h，生成NCOPEG预聚物。具体来说，制备如表1所示的复合相变材料1~4时，所采用的工艺参数分别为：
复合相变材料1：将相变材料在80℃下真空脱水3h后，加入IPDI，调节R值为1，于70℃下反应0.5h，生成NCOPEG预聚物。
复合相变材料2：将相变材料在85℃下真空脱水3h后，加入IPDI，调节R值为1.3，于80℃下反应1h，生成NCOPEG预聚物。
复合相变材料3：将相变材料在90℃下真空脱水4h后，加入IPDI，调节R值为1.7，于90℃下反应1.5h，生成NCOPEG预聚物。
复合相变材料4：将相变材料在100℃下真空脱水4h后，加入IPDI，调节R值为2，于90℃下反应2h，生成NCOPEG预聚物。
2）将生成的预聚物浇注进入炭泡沫的孔中。
3）在真空烘箱中保持一段时间，真空烘箱的温度高于原料相变温度以使其固化，得到复合相变材料。
性能测试与表征：DSC分析采用Setaram DSC131evo型差示扫描量热仪，测试样量为5mg左右，气氛为氩气（流量为30ml/min），加热速率为5℃/min，扫描温度为0～100℃。获得的DSC曲线如图2所示，其中曲线1~4分别代表制得的复合相变材料1~4，如表1所示。
测试结果：复合相变材料与纯PEG一样在升温过程中发生了相变，不同的是，纯PEG是进行固-液相变，复合相变材料进行的是固-固相变，其相变焓与相变温度如表1所示。
表1.PEG与复合相变材料的热性能
样品 PEG分子量 相变行为 Tt(℃) ΔH(J/g)
PEG2000 2000 固-液 53.1 175.3
PEG4000 4000 固-液 60.1 177.6
PEG6000 6000 固-液 61.4 180.2
PEG8000 8000 固-液 62.1 180.3
复合相变材料1 2000 固-固 31.9 44.1
复合相变材料2 4000 固-固 45.5 66.0
复合相变材料3 6000 固-固 46.8 71.8
复合相变材料4 8000 固-固 50.0 73.7
图3为获得的复合相变材料4的电热转换曲线。可以看出，在持续的通电的条件下，复合材料的温度随之上升，在40℃附近升温速率发生了变化，即材料的发生了相变，在降温过程中也有明显地相变放热的温度平台区。图5为根据本发明的实施例1获得的复合相变材料的形貌图，可以看出，相变材料填充在了大孔骨架中。
实施例2：
本实施例的复合相变材料，其中所用相变材料（即有机相变物质）是分子量为4000的聚乙二醇，其DSC曲线如图1所示。采用的固化剂为MDI，大孔骨架为石墨型炭泡沫，孔径为5mm。所述的高分子相变材料在复合相变材料中的含量50~85wt%范围内。
本实施例的复合相变材料的制备过程与实施例1相同。
性能测试与表征：DSC分析采用Setaram DSC131evo型差示扫描量热仪，测试样量为5mg左右，气氛为氩气（流量为30ml/min），加热速率为5℃/min，扫描温度为0～100℃。获得的DSC曲线如图6所示，其中曲线代表制得的复合相变材料5。
测试结果：复合相变材料与纯PEG一样在升温过程中发生了相变，不同的是，纯PEG是进行固-液相变，复合相变材料进行的是固-固相变，其相变焓与相变温度如表2所示。
表2.PEG与复合相变材料的热性能
样品 PEG分子量 相变行为 Tt(℃) ΔH(J/g)
PEG4000 4000 固-液 60.1 177.6
复合相变材料5 4000 固-固 47.3 91.2
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (7)

1.一种复合相变蓄热材料，其特征在于，包括有机固-固相变物质和载体基质，所述载体基质为石墨泡沫，所述有机固-固相变物质为PEG型聚氨酯，所述有机固-固相变物质填充于所述载体基质的孔内；该复合相变蓄热材料采用以下方法制备而成：
1)采用一步熔融聚合法制备预聚物，将有机固-固相变物质和固化剂在在熔融状态下混合并进行预聚，形成预聚物；
2)将所述预聚物浇注进入大孔材料石墨泡沫的孔内；
3)在真空烘箱中保持一段时间，真空烘箱的温度高于原料相变温度以使其固化，得到复合相变蓄热材料。
2.根据权利要求1所述的复合相变蓄热材料，其特征在于，所述石墨泡沫的孔径为0.5～5mm。
3.根据权利要求1所述的复合相变蓄热材料，其特征在于，所述有机固-固相变物质的含量为50～85wt％，所述载体基质的含量为50～15wt％。
4.权利要求1所述复合相变蓄热材料的制备方法，其步骤包括：
1)采用一步熔融聚合法制备预聚物，将有机固-固相变物质和固化剂在在熔融状态下混合并进行预聚，形成预聚物；
2)将所述预聚物浇注进入大孔材料石墨泡沫的孔内；
3)在真空烘箱中保持一段时间，真空烘箱的温度高于原料相变温度以使其固化，得到复合相变蓄热材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)在将有机固-固相变物质和固化剂进行混合之前，对有机固-固相变物质进行真空脱水处理。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述预聚的时间为10～200分钟。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述预聚的温度比所述有机固-固相变物质的熔点高10℃。
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