CN103992461A - 水性聚氨酯相变储能材料 - Google Patents

水性聚氨酯相变储能材料 Download PDF

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Abstract

本发明属于新材料领域，涉及一种水性聚氨酯相变储能材料的制备方法。本发明是将聚氨酯相变储能材料与水性聚氨酯整合到一起开发出的新一代相变材料。具体方法是在聚氨酯相变储能材料的基础上，引入亲水基团，使其具备水溶性的特点。水性聚氨酯相变储能材料兼具固-固相变储能功能和水溶性特点，与传统聚氨酯相变储能材料相比较，它的应用范围更广，特别是在功能性纺织品领域，在不使用或少使用有机溶剂的前提下，可以达到理想的效果。

Description

水性聚氨酯相变储能材料
技术领域
本发明属于新材料领域，涉及一种水性聚氨酯相变储能材料的制备方法。 
背景技术
相变材料(phase change material，PCM)能够在一个窄的温度范围内，通过相转变(如固-固相转变或固-液相转变)吸收或释放大量的潜热(ΔH)。此过程会随着PCM的潜热被吸收或释放完而终止。由于PCM具有高的储热密度和熔化热，使其能够在几乎等温的条件下形成一个紧凑的能量存储系统。PCM的研究在1949年由Telkes和Raymond首先开展，但直到上世纪70年代才得到广泛的关注。1971年，Hale、Hoover和O’Neill做了开拓性的研究，为月球漫游车和太空实验室设计了一个PCM的热保护系统。PCM首先小范围的应用于太空飞行器，然后于20世纪70年代后期应用在更大的范围内，如建筑和太阳能系统中，以应对全球的能源危机。此后，几个研究小组进行了实验研究，评估了潜热储热系统的热行为。对潜热蓄热的早期研究集中在无机盐水合物的脱水和水化，初步的研究显示，它们具有高能量存储密度和高导热性。然而，它们有一些明显的缺点，如有腐蚀性、相容性差，以及相变热循环过程中，出现过冷和相分离。为了避免无机PCM中的一些固有缺陷，增强PCM的热容量、热稳定性、热传导性和耐久性，科研人员将研究的重点转向使用有机物质和它们的混合物作为PCM的一种新型的复合PCM。大多数的有机PCM的温度使用范围在-5℃至190℃，可以根据不同的应用类型的要求，选择相变温度不同的有机PCM。例如，相变温度低于15℃时，该材料可以应用于冷却，而相变温度在90℃以上时，可以用于吸收式制冷。有机PCM及其混合物的相变温度约为18-65℃，其热舒适性适用于纺织业和建筑业。 
聚氨酯(polyurethane，PU)是带有重复-NH-COO-特征基团且软硬交替的杂链聚合物(如分子式1)，全称聚氨基甲酸酯，是氨基甲酸(NH2COOH)的酯类或碳酸的酯-酰胺衍生物，其中软段由多元醇构成，硬段由多异氰酸酯和扩链剂构成。德国化学家O.Bayer教授(PU工业的奠基人)于1937年首次发现多元醇化合物与多异氰酸酯进行加聚反应可以生产PU，并以此为基础实现了工业化应用，特别是在涂料、胶黏剂、皮革加工、纺织等领域的应用最为广泛。 
1953年美国DuPont公司附属研究院成功研制了水性聚氨酯。所谓水性聚氨酯(waterborne polyurethane，WPU)是相对于溶剂型来说的，是将PU分散于水中，在高速剪切下制备而成的，其中不含或含很少量挥发性有机溶剂。WPU不仅继承了溶剂型PU的一些优良性能，而且还具有不污染环境、无毒害、成本低等优点，成为PU材料的主要发展方向。 
聚氨酯相变储能材料(polyurethane phase change material，PUPCM)是刚性链段和柔性链段交替连接而成的嵌段共聚物。与PU弹性体的结构类似，由扩链剂和异氰酸酯构成硬段，形成许多硬段微区，成为PUPCM的框架。在PUPCM分子链中，软段构成了PUPCM的功能载体。PUPCM相变焓较大，热性能稳定，是一种高分子固-固相变储能材料，具有较大使用价值和发展前途。 
水性聚氨酯相变储能材料(waterborne polyurethane phase change material，WPUPCM)的设计思路，是将PUPCM与WPU整合到一起开发出的新一代PCM。具体方法是在PUPCM的基础上，引入亲水基团，使其具备水溶性的特点。WPUPCM兼具固-固相变储能功能和水 溶性特点，与传统PUPCM相比较，它的应用范围更广，特别是在功能性纺织品领域，在不使用或少使用有机溶剂的前提下，可以达到理想的效果。 
发明内容
本发明是将PUPCM与WPU整合到一起开发出的新一代PCM——水性聚氨酯相变储能材料。具体方法是在PUPCM的基础上，引入亲水基团，使其具备水溶性的特点。WPUPCM兼具固-固相变储能功能和水溶性特点，与传统PUPCM相比较，它的应用范围更广，特别是在功能性纺织品领域，在不使用或少使用有机溶剂的前提下，可以达到理想的效果。 
该材料的具体制备过程如下： 
1.将聚乙二醇(分子量1000-20000，50-95份)、二羟甲基丙酸(1-20份)在100-130℃下真空脱水2-8h。 
2.将2-20份二苯基二异氰酸酯(或六亚甲基二异氰酸酯)置于三口烧瓶中，加入称量好的聚乙二醇(50-95份)，30-80℃搅拌0.5-5h，添加适量乙酸乙酯(20-500份)调整体系粘度。 
3.加入二羟甲基丙酸(1-20份)，滴加少量二月硅酸二丁基锡(2-50滴)，恒温40-70℃反应1-4h。 
4.加入小分子扩链剂1，4-丁二醇(1-20份)，继续扩链0.5-5h。 
5.降低加热温度至10-60℃，加入三乙胺(0.1-20份)，继续搅拌0.1-3h。 
6.加入乙二胺(0.1-10份)，消耗剩余的-NCO，反应0.1-5h。 
7.提高搅拌速度，缓慢加入去离子水，制成M-WPUPCM乳液(或H-WPUPCM乳液)。 
8.减压蒸馏出乙酸乙酯，得到M-WPUPCM(或H-WPUPCM)。 
本发明的优点与积极效果在于用该方法制备的水性聚氨酯相变储能材料是将PUPCM与WPU整合到一起开发出的新一代PCM。WPUPCM兼具固-固相变储能功能和水溶性特点，与传统PUPCM相比较，它的应用范围更广，特别是在功能性纺织品领域，在不使用或少使用有机溶剂的前提下，可以达到理想的效果。该材料还可广泛应用于建筑节能、电子设备、电力调峰、医疗保健及现代农业等领域。 
具体实施方式
实施例1 
(1)将聚乙二醇(分子量2000，90份)、二羟甲基丙酸(10份)在110℃下真空脱水4h。 
(2)将10份二苯基二异氰酸酯置于三口烧瓶中，加入聚乙二醇(85份)，60℃搅拌3h，添加适量乙酸乙酯(200份)调整体系粘度。 
(3)加入二羟甲基丙酸(5份)，滴加少量二月硅酸二丁基锡(6滴)，恒温60℃反应3h。 
(4)加入小分子扩链剂1，4-丁二醇(10份)，继续扩链1h。 
(5)降低加热温度至30℃，加入三乙胺(1份)，继续搅拌0.5h。 
(6)加入乙二胺(1份)，消耗剩余的-NCO，反应0.5h。 
(7)提高搅拌速度，缓慢加入去离子水，制成M-WPUPCM乳液。 
(8)减压蒸馏出乙酸乙酯，得到M-WPUPCM。 
实施例2 
(1)将聚乙二醇(分子量2000，90份)、二羟甲基丙酸(10份)在110℃下真空脱水4h。 
(2)将10份六亚甲基二异氰酸酯置于三口烧瓶中，加入聚乙二醇(85份)，60℃搅拌3h，添加适量乙酸乙酯(200份)调整体系粘度。 
(3)加入二羟甲基丙酸(5份)，滴加少量二月硅酸二丁基锡(6滴)，恒温60℃反应3h。 
(4)加入小分子扩链剂1，4-丁二醇(10份)，继续扩链1h。 
(5)降低加热温度至30℃，加入三乙胺(1份)，继续搅拌0.5h。 
(6)加入乙二胺(1份)，消耗剩余的-NCO，反应0.5h。 
(7)提高搅拌速度，缓慢加入去离子水，制成H-WPUPCM乳液。 
(8)减压蒸馏出乙酸乙酯，得到H-WPUPCM。 
实施例3 
(1)将聚乙二醇(分子量2000，70份)、二羟甲基丙酸(15份)在110℃下真空脱水4h。 
(2)将15份二苯基二异氰酸酯置于三口烧瓶中，加入聚乙二醇(70份)，60℃搅拌3h，添加适量乙酸乙酯(400份)调整体系粘度。 
(3)加入二羟甲基丙酸(8份)，滴加少量二月硅酸二丁基锡(9滴)，恒温65℃反应4h。 
(4)加入小分子扩链剂1，4-丁二醇(10份)，继续扩链3h。 
(5)降低加热温度至25℃，加入三乙胺(2份)，继续搅拌1h。 
(6)加入乙二胺(0.5份)，消耗剩余的-NCO，反应1h。 
(7)提高搅拌速度，缓慢加入去离子水，制成M-WPUPCM乳液。 
(8)减压蒸馏出乙酸乙酯，得到M-WPUPCM。 
实施例4 
(1)将聚乙二醇(分子量2000，70份)、二羟甲基丙酸(15份)在110℃下真空脱水4h。 
(2)将10份六亚甲基二异氰酸酯置于三口烧瓶中，加入聚乙二醇(70份)，65℃搅拌2.5h，添加适量乙酸乙酯(350份)调整体系粘度。 
(3)加入二羟甲基丙酸(9份)，滴加少量二月硅酸二丁基锡(8滴)，恒温65℃反应2.5h。 
(4)加入小分子扩链剂1，4-丁二醇(15份)，继续扩链1h。 
(5)降低加热温度至25℃，加入三乙胺(2份)，继续搅拌1h。 
(6)加入乙二胺(0.5份)，消耗剩余的-NCO，反应1h。 
(7)提高搅拌速度，缓慢加入去离子水，制成H-WPUPCM乳液。 
(8)减压蒸馏出乙酸乙酯，得到H-WPUPCM。 

Claims (3)

1.水性聚氨酯相变储能材料的制备方法，其特征是由下列配方组成：聚乙二醇(分子量1000-20000，50-95份)、二羟甲基丙酸(1-20份)、乙酸乙酯(20-500份)、二羟甲基丙酸(1-20份)、二月硅酸二丁基锡(2-50滴)、1，4-丁二醇(1-20份)、三乙胺(0.1-20份)、乙二胺(0.1-10份)。
2.根据权利要求1所述的水性聚氨酯相变储能材料，其特征是将聚氨酯相变储能材料与水性聚氨酯整合到一起开发出的新一代相变材料。具体方法是在聚氨酯相变储能材料的基础上，引入亲水基团，使其具备水溶性的特点。
3.根据权利要求1所述的水性聚氨酯相变储能材料的制备方法，其特征是依次按下列步骤进行：(1)将聚乙二醇(分子量1000-20000，50-95份)、二羟甲基丙酸(1-20份)在100-130℃下真空脱水2-8h；(2)将2-20份二苯基二异氰酸酯(或六亚甲基二异氰酸酯)置于三口烧瓶中，加入称量好的聚乙二醇(50-95份)，30-80℃搅拌0.5-5h，添加适量乙酸乙酯(20-500份)调整体系粘度；(3)加入二羟甲基丙酸(1-20份)，滴加少量二月硅酸二丁基锡(2-50滴)，恒温40-70℃反应1-4h；(4)加入小分子扩链剂1，4-丁二醇(1-20份)，继续扩链0.5-5h；(5)降低加热温度至10-60℃，加入三乙胺(0.1-20份)，继续搅拌0.1-3h；(6)加入乙二胺(0.1-10份)，消耗剩余的-NCO，反应0.1-5h；(7)提高搅拌速度，缓慢加入去离子水，制成M-WPUPCM乳液(或H-WPUPCM乳液)；(8)减压蒸馏出乙酸乙酯，得到M-WPUPCM(或H-WPUPCM)。
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