CN104419381A - 相变材料及其制备方法 - Google Patents

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张慧洁
张哲明
陈海滨
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Abstract

本发明公开了一种相变材料及其制备方法，相变材料的制备原料包括六水氯化钙、六水氯化锶、熔点调节剂，上述原料中各组分的质量百分比为六水氯化钙80-90%、六水氯化锶5%-10%、熔点调节剂5%-10%；相变材料的具体制备步骤为：称取六水氯化钙、六水氯化锶、熔点调节剂，将上述原料按照质量份数混合配制成溶液；将溶液在60-80℃的恒温水浴中加热并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体；将透明液体置于4-6℃的低温下结晶，得到相变材料。本发明的相变材料制备工艺简单，仅有混合-熔融-结晶三步，使用原料种类少，原料价廉易得，制备得到的相变材料无毒无腐蚀，相变温度在24-31℃之间可调，相变潜热在120-170J/g之间，过冷度小于10℃，相变过程可逆。

Description

相变材料及其制备方法
技术领域
本发明属于相变材料技术领域，具体地说，涉及一种相变材料及其制备方法。
背景技术
相变材料(PCM-Phase Change Material)是指随温度变化而物理性质改变并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热并保持温度恒定。比如0℃时，1Kg的冰完全变成水需要吸收333KJ的热量，并在此过程中温度恒为0℃。在食品恒温储存、纺织恒温保暖、建筑恒温节能灯方面，相变材料有着极大的市场需求和潜力。
目前国内外研究的相变材料主要有三种：金属类相变材料、有机相变材料和无机相变材料。金属类相变材料的相变主要依靠晶型的转变，且相变温度很高，在100℃以上，主要用于高温领域。有机相变材料主要集中于石蜡类，糖醇和高分子类，最常用的有机类相变材料为石蜡类，根据石蜡烷烃的碳链长度，相变温度从-12到75℃不等，潜热也在150-250J/g之间变动，但有机相变材料易燃、导热系数小、易挥发、相变时体积变化大。
无机相变材料主要是指无机水合盐类，相变温度在0-200℃变化，热焓也在100-300J/g之间变动。无机相变材料使用范围广、价格便宜、密度大，导热系数较有机相变材料高。在10-30℃左右的相变温度范围内，无机相变材料中有KF·4H2O(18.5℃，23.1J/g)和Mn(NO3)2·6H2O(25.8℃,125.9J/g)。然而，KF·4H2O具有一定的腐蚀性，而Mn(NO3)2·6H2O的潜热太低，要得到合适的相变温度还需要进行调节。同时，现有的无机相变材料容易发生过冷现象，影响热量的及时释放与利用，且相变材料的制备工艺复杂，使用原料种类多，原料成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相变材料的制备方法，相变材料的制备工艺简单，原料价廉易得，成本低廉；制备得到的相变材料具有合适的特定温度，其相变潜热大、使用安全且稳定性好。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种相变材料，包括六水氯化钙、六水氯化锶、熔点调节剂，上述原料中各组分的质量百分比分别为六水氯化钙80-90%、六水氯化锶5%-10%、熔点调节剂5%-10%。
一种相变材料的制备方法，包括以下步骤：称取六水氯化钙、六水氯化锶、熔点调节剂，将上述原料按照质量份数混合配制成溶液；将溶液在60-80℃的恒温水浴中加热并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体；将透明液体置于4-6℃的低温下结晶，得到相变材料。
优选地，所述六水氯化钙、所述六水氯化锶、所述熔点调节剂均为无机物。
优选地，所述熔点调节剂可为六水氯化镁MgCl2·6H2O、硝酸镁Mg(NO3)2、硝酸钾KNO3、氯化钠NaCl中的一种。
优选地，所述六水氯化钙由降温结晶方法制备而成。
优选地，所述相变材料进一步包括增稠剂，所述增稠剂可为羟甲基纤维素钠（carboxymethylcellulosesodium，NaCMC）或高吸水树脂。
优选地，所述相变材料的相变温度在24-31℃之间可调。
优选地，所述相变材料的相变潜热在120-170J/g之间。
优选地，所述相变材料的过冷度小于10℃。
优选地，所述相变材料的相变过程可逆。
与现有技术相比，本发明中的六水氯化钙GaCl2·6H2O熔点低、蓄热容量大、安全无毒、价廉易得，六水氯化锶SrCl2·6H2O显著降低了六水氯化钙GaCl2·6H2O的过冷度，熔点调节剂调节六水氯化钙GaCl2·6H2O和六水氯化锶SrCl2·6H2O的熔点。本发明的相变材料制备工艺简单，仅有混合-熔融-结晶三步，使用原料种类少，原料价廉易得，制备得到的相变材料无毒无腐蚀，相变温度在24-31℃之间可调，相变潜热在120-170J/g之间，过冷度小于10℃，相变过程可逆。
附图说明
图1为本发明的相变材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明相变材料的制备方法作进一步说明。
本发明公开了一种相变材料，所述相变材料包括六水氯化钙、六水氯化锶、熔点调节剂，上述原料中各组分的质量百分比为六水氯化钙80-90%、六水氯化锶5%-10%、熔点调节剂5%-10%。
本发明中所述六水氯化钙、所述六水氯化锶、所述熔点调节剂均为无机物。
所述六水氯化钙的分子式为GaCl2·6H2O，相变温度32℃，相变潜热175J/g，所述六水氯化钙GaCl2·6H2O为相变主剂。本发明所述相变材料中，所述六水氯化钙GaCl2·6H2O的含量无特别的限制，它取决于所需的用途。但是，如果含量太低，则储能蓄热效果不明显，如果含量太高，则难以全部与所述六水氯化锶SrCl2·6H2O共熔。在本发明的相变材料中，所述六水氯化钙GaCl2·6H2O的含量为80-90%。
所述六水氯化锶的分子式为SrCl2·6H2O，所述六水氯化锶SrCl2·6H2O为成核剂。所述六水氯化锶SrCl2·6H2O显著降低了所述六水氯化钙GaCl2·6H2O的过冷度。
所述熔点调节剂根据需要调节所述六水氯化钙GaCl2·6H2O的相变点，所述熔点调节剂的用量一般为5%-10%。所述熔点调节剂可为六水氯化镁MgCl2·6H2O、硝酸镁Mg(NO3)2、硝酸钾KNO3、氯化钠NaCl中的一种。所述六水氯化镁MgCl2·6H2O、所述硝酸镁Mg(NO3)2、所述硝酸钾KNO3、所述氯化钠NaCl均为可以与相变主剂所述六水氯化钙GaCl2·6H2O形成共晶的物质。
共晶(eutectic)是在低于任一种组成物熔点的温度下所有成分的融合。所述相变材料的原料中各组分的质量百分比分别为所述六水氯化钙80-90%、所述六水氯化锶5%-10%、所述熔点调节剂5%-10%，正是在具有所述六水氯化钙80-90%、所述六水氯化锶5%-10%、所述熔点调节剂5%-10%这样的组分比例时，所述相变材料的原料的熔点最低。
其中，所述相变材料可进一步包括增稠剂，所述增稠剂可为羟甲基纤维素钠（carboxymethylcellulose sodium，NaCMC）或高吸水树脂。所述羟甲基纤维素钠（NaCMC）能使六水氯化钙GaCl2·6H2O经反复循环后储热性能保持稳定，可以多次利用。所述高吸水树脂(Super Absorbent Polymer，SAP)是一种新型功能高分子材料，具有亲水基团、能大量吸收水分而溶胀又能保持住水分不外流的合成树脂。
请参阅图1，本发明还公开了一种相变材料的制备方法，包括以下步骤：
首先，称取所述六水氯化钙GaCl2·6H2O、所述六水氯化锶SrCl2·6H2O、所述熔点调节剂，将上述原料按照质量份数混合配制成溶液。所述熔点调节剂可为所述六水氯化镁MgCl2·6H2O、所述硝酸镁Mg(NO3)2、所述硝酸钾KNO3、所述氯化钠NaCl中的一种。
其中，所述六水氯化钙GaCl2·6H2O由降温结晶方法制备而成。先将无水氯化钙GaCl2研磨成粉末配制溶液，加热溶液，根据其溶解度制取过饱和溶液，然后再放入冷水浴中降温，直至完全结晶为止，将残留液倒掉，低温干燥后得所述六水氯化钙GaCl2·6H2O。
然后，将溶液在60-80℃的恒温水浴中加热并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体。其中，将恒温水浴的温度设定为60-80℃，是为了使所述六水氯化钙GaCl2·6H2O、所述六水氯化锶SrCl2·6H2O、所述熔点调节剂熔化，如果恒温水浴的温度设定较低，最后形成的液体中可能会出现浑浊，如果恒温水浴的温度设定较高，因仪器自身参数性能的限制难以达到或较复杂。
接着，将透明液体置于4-6℃的低温下结晶，得到相变材料。其中，将透明液体至于4-6℃的低温下结晶，是因为在4-6℃低温环境下，所述相变材料的结晶析出率最好。
本发明中制备相变材料时，称量质量比为相变主剂六水氯化钙GaCl2·6H2O80-90%、成核剂六水氯化锶SrCl2·6H2O5%-10%和熔点调节剂5%-10%的原料并混合配制成溶液，将溶液在60-80℃的恒温水浴中加热并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体，再将透明液体在4-6℃的低温下结晶，完成初始能量的储存与释放，得到相变材料。
本发明制备的所述相变材料的相变温度和相变热焓可以采用差示扫描量热法（differentialscanning calorimetry）测定。
本发明制得的所述相变材料的相变温度在24-31℃之间可调，相变潜热在120-170J/g之间，其过冷度小于10℃，且所述相变材料的相变过程可逆。
实施例一
首先，称量相变主剂六水氯化钙GaCl2·6H2O15g、成核剂六水氯化锶SrCl2·6H2O0.75g、熔点调节剂氯化钠NaCl0.5g、增稠剂羟甲基纤维素钠（carboxymethylcellulose sodium，NaCMC）0.25g以及水2.5g，将上述原料混合并配制成溶液。
然后，将配制好的溶液置于60-80℃的恒温水浴中加热，并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体。
接着，将透明液体置于4-6℃的低温下结晶，完成初始能量的储存与释放，得到相变材料。
制得的相变材料的相变温度为31℃，相变潜热为168J/g。
实施例二
首先，称量相变主剂六水氯化钙GaCl2·6H2O15g、成核剂六水氯化锶SrCl2·6H2O0.45g、熔点调节剂硝酸镁Mg(NO3)20.6g以及水2.5g，将上述原料混合并配制成溶液。
然后，将配制好的溶液置于60-80℃的恒温水浴中加热，并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体。
接着，将透明液体置于4-6℃的低温下结晶，完成初始能量的储存与释放，得到相变材料。
制得的相变材料的相变温度为30℃，相变潜热为150J/g。
实施例三
首先，称量相变主剂六水氯化钙GaCl2·6H2O15g、成核剂六水氯化锶SrCl2·6H2O1.5g、熔点调节剂六水氯化镁MgCl2·6H2O1.5g以及水2.5g，将上述原料混合并配制成溶液。
然后，将配制好的溶液置于60-80℃的恒温水浴中加热，并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体。
接着，将透明液体置于4-6℃的低温下结晶，完成初始能量的储存与释放，得到相变材料。
制得的相变材料的相变温度为29℃，相变潜热为139J/g。
实施例四
首先，称量相变主剂六水氯化钙GaCl2·6H2O15g、成核剂六水氯化锶SrCl2·6H2O2.4g、熔点调节剂硝酸钾KNO31.5g以及水2.5g，将上述原料混合并配制成溶液。
然后，将配制好的溶液置于60-80℃的恒温水浴中加热，并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体。
接着，将透明液体置于4-6℃的低温下结晶，完成初始能量的储存与释放，得到相变材料。
制得的相变材料的相变温度为25℃，相变潜热为140J/g。
实施例五
首先，称量相变主剂六水氯化钙GaCl2·6H2O15g、成核剂六水氯化锶SrCl2·6H2O1.2g、添加剂二氧化硅SiO20.3g、熔点调节剂硝酸钾KNO31.5g以及水2.5g，将上述原料混合并配制成溶液。
然后，将配制好的溶液置于60-80℃的恒温水浴中加热，并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体。
接着，将透明液体置于4-6℃的低温下结晶，完成初始能量的储存与释放，得到相变材料。
制得的相变材料的相变温度为24℃，相变潜热为125J/g。
本发明中的六水氯化钙GaCl2·6H2O熔点低、蓄热容量大、安全无毒、价廉易得，六水氯化锶SrCl2·6H2O显著降低了六水氯化钙GaCl2·6H2O的过冷度，熔点调节剂调节六水氯化钙GaCl2·6H2O和六水氯化锶SrCl2·6H2O的熔点。本发明的相变材料制备工艺简单，仅有混合-熔融-结晶三步，使用原料种类少，原料价廉易得，制备得到的相变材料无毒无腐蚀，相变温度在24-31℃之间可调，相变潜热在120-170J/g之间，过冷度小于10℃，相变过程可逆。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所揭示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种相变材料，其特征在于：包括六水氯化钙、六水氯化锶、熔点调节剂，上述原料中各组分的质量百分比分别为六水氯化钙80-90%、六水氯化锶5%-10%、熔点调节剂5%-10%。
2.如权利要求1所述的相变材料，其特征在于：所述六水氯化钙、所述六水氯化锶、所述熔点调节剂均为无机物。
3.如权利要求2所述的相变材料，其特征在于：所述熔点调节剂可为六水氯化镁MgCl2·6H2O、硝酸镁Mg(NO3)2、硝酸钾KNO3、氯化钠NaCl中的一种。
4.如权利要求1所述的相变材料，其特征在于：所述六水氯化钙由降温结晶方法制备而成。
5.如权利要求1所述的相变材料，其特征在于：进一步包括增稠剂，所述增稠剂可为羟甲基纤维素钠（carboxymethylcellulose sodium，NaCMC）或高吸水树脂。
6.如权利要求1至5任一所述的一种相变材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
称取六水氯化钙、六水氯化锶、熔点调节剂，将上述原料按照质量份数混合配制成溶液；
将溶液在60-80℃的恒温水浴中加热并不断地搅拌，直至原料全部熔融，溶液变成透明液体；
将透明液体置于4-6℃的低温下结晶，得到相变材料。
7.如权利要求6所述的相变材料的制备方法，其特征在于：所述相变材料的相变温度在24-31℃之间可调。
8.如权利要求7所述的相变材料的制备方法，其特征在于：所述相变材料的相变潜热在120-170J/g之间。
9.如权利要求8所述的相变材料的制备方法，其特征在于：所述相变材料的过冷度小于10℃。
10.如权利要求9所述的相变材料的制备方法，其特征在于：所述相变材料的相变过程可逆。
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