CN105601203A - 相变储能集料水泥基复合材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相变储能集料水泥基复合材料及其制备工艺，解决了现有建筑用相变储能复合材料存在的相变材料掺量低，储能密度低，且相变材料发生相变时容易泄露、导热系数较低等问题。本发明复合材料由水泥20-30份、普通集料30-50份、复合相变储能集料5-20份、稳定剂1-2份、造孔剂1-3份、水15-22份组成，其中，复合相变储能集料由相变材料与膨胀石墨组成。本发明相变储能集料水泥基复合材料工艺简单、成本低、储能密度高、导热系数高、相变材料发生相变不易泄露，特别适用于建筑领域。

Description

相变储能集料水泥基复合材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体的说是一种相变储能集料水泥基复合材料及其制备工艺。
背景技术
相变储能主要是通过相变储能材料在特定温度或温度范围内发生物质相态的变化，并且随着相变过程吸收或放出大量的相变潜热来进行能量的储存。相变储能技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，在太阳能热利用、电力移峰填谷、工业废热的回收以及民用和军事等领域具有广阔的应用前景。通过向普通建筑材料中加入相变材料，可制成具有较高热容的相变储能建筑材料，其具有较大的相变潜热，可被动蓄放热，利用相变储能复合材料构筑建筑墙体结构，可以降低室内温度波动，提高舒适度，使建筑供暖空调系统不用或者少用能，减小所需空气处理设备的容量，同时可使空调或供暖系统利用夜间廉价电运行，降低空调或供暖系统的运行费用。普通相变储能建筑材料价格便宜、易于实现、应用范围广。如公开号为1450141的“建筑用相变储能复合材料及其制备方法”，它以石膏、水泥等气硬性或水硬性胶凝材料为基体,其中分散有膨胀粘土等多孔材料集料,多孔材料集料中储存有石蜡或、硬脂酸丁酯等有机相变材料。又如公开号101880146A的“一种水泥复合定形相变材料砂浆及其制备方法”包括由亲水性表面改性处理的改性定形相变材料和包括聚合物胶凝材料和纤维增强材料改性水泥基材料组成，改性定形相变材料最大用量为570kg/m3，改性水泥基材料中聚合物胶凝材料的用量按固含量占水泥用量的3-10％，纤维增强材料为0.7-1kg/m3，砂浆的拉伸粘结强度0.10MPa以上。上述技术的缺点在于相变材料掺量低，储能密度低，且相变材料发生相变时容易泄露、导热系数较低等，限制了其应用。如何制备出高性能相变储能建筑材料已成为当今储能技术研究的热点。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种成本低、储能密度高、导热系数高、相变材料发生相变不易泄露的相变储能集料水泥基复合材料。
本发明还提供一种工艺简单可靠、生产成本低的相变储能集料水泥基复合材料的制备工艺。
本发明相变储能集料水泥基复合材料，包括下述重量组份数的组分：
水泥20-30份、普通集料30-50份、复合相变储能集料5-20份、稳定剂1-2份、造孔剂1-3份、水15-22份；
其中，复合相变储能集料由相变材料与膨胀石墨组成。
所述膨胀石墨占复合相变储能集料质量的5wt％-10wt％；所述的膨胀石墨膨胀率为200mL/g-400mL/g。
所述相变材料为烷烃、脂肪酸类、醇类或酯类中的至少一种。所述造孔剂为浓度30wt％-50wt％的双氧水。
本发明相变储能集料水泥基复合材料的制备工艺，包括下述重量组份数的组分：
水泥20-30份、普通集料30-50份、复合相变储能集料5-20份、稳定剂1-2份、造孔剂1-3份、水15-22份；
其中，复合相变储能集料由相变材料与膨胀石墨组成；
所述制备工艺为：
1)将相变材料与膨胀石墨分别加热至相变温度以上(优选加热至相变温度以上20-40℃)，然后混合均匀，再将混合物在相变温度以上(优选加热至相变温度以上20-40℃)下保温25-35min后冷却至室温得复合相变储能集料；
2)将复合相变储能集料浸入造孔剂中至饱和，取出后得到预处理复合相变储能集料；
3)将水泥和稳定剂混合均匀，再加入水搅拌均匀成均匀浆体，向浆体中加入预处理复合相变储能集料与普通集料搅拌均匀，静置，待预处理复合相变储能集料表面的造孔剂发气完成、水泥硬化后脱模。
进一步的，所述相变储能集料水泥基复合材料的组分优选为：水泥20-25份、普通集料35-45份、复合相变储能集料10-15份、稳定剂1-2份、造孔剂2-3份、水17-22份。
所述膨胀石墨占复合相变储能集料质量的5wt％-10wt％，所述膨胀石墨的膨胀率为200mL/g-400mL/g。
所述相变材料与膨胀石墨的加热温度在相变温度以上20-40℃，混合物的保温温度在相变温度以上20-40℃。
所述相变材料为烷烃、脂肪酸类、醇类或酯类中的至少一种。
所述造孔剂为浓度30wt％-50wt％的双氧水。
所述水泥可能为普通硅酸盐水泥，优选强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥；所述普通集料可以为河砂或机制砂中的一种或两种任意混合。所述稳定剂可以选自十二烷基硫酸钙。所述造孔剂优选30wt％-50wt％双氧水，由于双氧水为液体造孔剂，其具有良好的渗透性，能够更好的渗入膨胀石墨孔隙内。
针对背景技术中的问题，发明人发现，之所以相变材料的掺量低是因为温度的变化会使相变材料发化相变的同时，体积也相应发生变化，这就会导致普通硬化脱膜后的水泥基复合材料中的相变材料外溢，从而严重影响水泥基复合材料的各项性能。针对上述问题，本发明利用相变材料在高温下由固态变为液态的原理(具体的加热和保温温度可根据具体使用的相变材料对应的相变温度进行合理控制，应不低于相变温度)，使相变材料在液态时与膨胀石墨混合，由于膨胀石墨表面多孔，具有较强的吸附能力和携载能力，液态的相变材料不仅吸附于膨胀石墨表面，还可以很好的进入膨胀石墨的孔穴和通道中，通过控制相变材料和膨胀石墨的混合比例，使两者的混合处于非饱和状态，膨胀石墨中会留有多余的、未被相变材料完全填充的孔隙和通道，以利于后续进一步吸收造孔剂。然后再将复合相变储能集料浸入造孔剂中，不但能使造孔剂均匀地吸附在膨胀石墨表面，而且进入膨胀石墨的孔穴和通道内。当预处理复合相变储能集料与水泥、稳定剂、和水混合时，水泥与水反应产生的水化产物为碱性，在碱性环境下，双氧水分解生成水和氧气，释放出的气体会包裹在预处理复合相变储能集料表面，使复合材料硬化后在预处理复合相变储能集料表面形成密集的空隙，进一步为相变材料的相变体积膨胀溢出而产生的应力提供释放空间，从而提高水泥基复合材料的体积稳定性。当相变材料受热由固态转变为液态时，体积发生变化，相变材料会渗出在膨胀石墨内部和表面预留的空隙中，同时膨胀石墨也会胀大，但由于空隙的存在，相变材料不会渗出到水泥基复合材料外。采用上述方法从而可以大幅提高复合相变储能集料在水泥中的掺量并提高水泥基复合材料的各项性能。所述加热和保温温度优选在相变温度以上20-40℃，以降低相变材料的粘度，使其具有良好的流动性，更易于渗透至复合相变储能集料的孔隙中。
本发明中，相较于水泥20-30份而言，本发明的复合相变储能集料的掺量可达5-20份。
所述膨胀石墨占复合相变储能集料质量的5wt％-10wt％，加入量过多，虽然能够吸收更多的造孔剂，但会减少相变材料的掺入量，加入量过少，则相变材料会使膨胀石墨饱和，影响到一下步膨胀石墨对造孔剂的进一步吸附。所述造孔剂的加入量控制在1-3份，过多会产生过多空隙，降低水泥基复合材料力学性能，过少会使相变储能集料周围空隙偏少，相变材料易溢出。
所述相变材料为烷烃、脂肪酸类、醇类或酯类中的至少一种。这所述烷烃可以列举出十八烷，十六烷，十四烷或十二烷，所述脂肪酸类可以列举出十八酸，十六酸，肉豆蔻酸或月桂酸，所述醇类可以列举出十八醇，十六醇，肉豆蔻醇或月桂醇；所述酯类可以列举出乙酸乙烯酯，硬脂酸-异丙醇酯或硬脂酸丁酯。上述种类的相变材料相变温度适宜作为建筑材料用相变材料。
有益效果：
本发明工艺简单可靠、生产成本低、相变材料的掺量高，储能密度高、导热系数高、相变材料发生相变不易泄露，制备的相变储能集料水泥基复合材料具有良好的力学性能与储能调温效果，可作为建筑墙体储能材料，应用于建筑，环保，节能等多个领域。
关键技术指标如下：
1)抗压强度>5MPa；
2)导热系数<0.15W/m·k；
3)冷热板温差>5℃(130W功率氙灯下下加热40min后)。
附图说明
图1为本发明脱模后的相变储能集料水泥基复合材料放大示意图。图中可见复合相变储能集料、普通集料和水泥硬化后形成的水泥石，由于造孔剂双氧水的发气作用，复合相变储能集料与水泥石间存在一定空隙，该空隙可为复合相变储能集料的体积膨胀或相变材料流淌提供一定空间。
具体实施方式
实施例1-6：
1)将相变材料与膨胀石墨分别加热至相变温度以上(优选在相变温度以上20-40℃)，然后混合均匀，再将混合物在相变温度以上(优选在相变温度以上20-40℃)保温25-35min后冷却至室温得复合相变储能集料，各原料组份及掺量见表1。
表1复合相变储能集料制备参数
其中，“膨胀石墨的占比”是指膨胀石墨占复合相变储能集料总质量的百分比。
2)将复合相变储能集料浸入造孔剂中至饱和，取出后得到预处理复合相变储能集料；
3)将水泥和稳定剂混合均匀，再加入水搅拌均匀成均匀浆体，向浆体中加入预处理复合相变储能集料与普通集料搅拌均匀，静置，待预处理复合相变储能集料表面的造孔剂发气完成、水泥硬化后脱模。各组份的原料重量份数和脱模后的水泥基复合材料的性能参数见表2。
表2相变储能集料水泥基复合材料配比与性能
表2中，水泥为强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥；普通集料为河砂；复合相变储能集料为标号a-f(见表1，分别对应实施例1-6)的复合相变储能集料；稳定剂为十二烷基硫酸钙；造孔剂为双氧水，浓度30wt％。
从表2中可看出：上述实施例1-6中所制备的相变储能集料水泥基复合材料的各项技术指标满足设计要求，具有良好的相变储能性能。
实施例7
水泥优选为强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥，普通集料为河砂。相变储能集料为标号为a的相变储能集料。稳定剂为十二烷基硫酸钙。造孔剂为双氧水，浓度50wt％。水泥：普通集料：相变储能集料：稳定剂：造孔剂：水＝20：50：10：20：2：2：16。相变储能集料水泥基复合材料抗压强度为8.8MPa，导热系数0.08W/m·k，温差7.2℃，其余同实施例1。
实施例8
水泥优选为强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥，普通集料为河砂。相变储能集料为标号为c的相变储能集料。稳定剂为十二烷基硫酸钙。造孔剂为双氧水，浓度30wt％。水泥：普通集料：相变储能集料：稳定剂：造孔剂：水＝20：50：10：20：2：3：15。相变储能集料水泥基复合材料抗压强度为8.5MPa，导热系数0.07W/m·k，温差8.1℃，其余同实施例1。
实施例9
水泥优选为强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥，普通集料为河砂。相变储能集料为标号为d的相变储能集料。稳定剂为十二烷基硫酸钙。造孔剂为双氧水，浓度50wt％。水泥：普通集料：相变储能集料：稳定剂：造孔剂：水＝20：50：10：20：2：2：16。相变储能集料水泥基复合材料抗压强度为8.3MPa，导热系数0.07W/m·k，温差7.3℃，其余同实施例1。
实施例10
水泥优选为强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥，普通集料为机制砂。相变储能集料为标号为e的相变储能集料。稳定剂为十二烷基硫酸钙。造孔剂为双氧水，浓度50wt％。水泥：普通集料：相变储能集料：稳定剂：造孔剂：水＝20：50：10：20：2：2：16。相变储能集料水泥基复合材料抗压强度为8.7MPa，导热系数0.08W/m·k，温差7.1℃，其余同实施例1。
实施例11
水泥优选为强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥，普通集料为50％河砂+50％机制砂。相变储能集料为标号为e的相变储能集料。稳定剂为十二烷基硫酸钙。造孔剂为双氧水，浓度40wt％。水泥：普通集料：相变储能集料：稳定剂：造孔剂：水＝20：50：10：20：2：3：15。相变储能集料水泥基复合材料抗压强度为7.9MPa，导热系数0.07W/m·k，温差7.5℃，其余同实施例1。

Claims (10)

1.一种相变储能集料水泥基复合材料，其特征在于，包括下述重量组份数的组分：
水泥20-30份、普通集料30-50份、复合相变储能集料5-20份、稳定剂1-2份、造孔剂1-3份、水15-22份；
其中，复合相变储能集料由相变材料与膨胀石墨组成。
2.如权利要求1所述的相变储能集料水泥基复合材料，其特征在于，所述膨胀石墨占复合相变储能集料质量的5wt％-10wt％；所述膨胀石墨的膨胀率为200mL/g-400mL/g。
3.如权利要求1所述的相变储能集料水泥基复合材料，其特征在于，所述相变材料为烷烃、脂肪酸类、醇类或酯类中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的相变储能集料水泥基复合材料，其特征在于，所述造孔剂为浓度30wt％-50wt％的双氧水。
5.一种相变储能集料水泥基复合材料的制备工艺，其特征在于，包括下述重量组份数的组分：
水泥20-30份、普通集料30-50份、复合相变储能集料5-20份、稳定剂1-2份、造孔剂1-3份、水15-22份；
其中，复合相变储能集料由相变材料与膨胀石墨组成；
所述制备方法为：
1)将相变材料与膨胀石墨分别加热至相变温度以上，然后混合均匀，再将混合物在相变温度以上保温25-35min后冷却至室温得复合相变储能集料；
2)将复合相变储能集料浸入造孔剂中至饱和，取出后得到预处理复合相变储能集料；
3)将水泥和稳定剂混合均匀，再加入水搅拌均匀成均匀浆体，向浆体中加入预处理复合相变储能集料与普通集料搅拌均匀，静置，待预处理复合相变储能集料表面的造孔剂发气完成、水泥硬化后脱模。
6.如权利要求5所述的相变储能集料水泥基复合材料的制备工艺，其特征在于，包括下述重量组份数的组分：
水泥20-25份、普通集料35-45份、复合相变储能集料10-15份、稳定剂1-2份、造孔剂2-3份、水17-22份。
7.如权利要求5或6所述的相变储能集料水泥基复合材料的制备工艺，其特征在于，所述膨胀石墨占复合相变储能集料质量的5wt％-10wt％，所述膨胀石墨的膨胀率为200mL/g-400mL/g。
8.如权利要求5或6所述的相变储能集料水泥基复合材料的制备工艺，其特征在于，所述相变材料与膨胀石墨的加热温度在相变温度以上20-40℃，混合物的保温温度在相变温度以上20-40℃。
9.如权利要求5所述的相变储能集料水泥基复合材料的制备工艺，其特征在于，所述相变材料为烷烃、脂肪酸类、醇类或酯类中的至少一种。
10.如权利要求5所述的相变储能集料水泥基复合材料的制备工艺，其特征在于，所述造孔剂为浓度30wt％-50wt％的双氧水。
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