CN106589519A - 一种相变蓄热木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种相变蓄热木塑复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种相变蓄热木塑复合材料，以包括如下重量百分比的成分为原料制备而成：木质纤维材料粉末25～40％，聚合物材料粉末45～60％，相变材料5～25％，多孔性材料粉末1～10％。本发明进一步提供了所述相变蓄热木塑复合材料的制备方法，包括：(1)在真空条件下将多孔性材料粉末与熔融的相变材料充分搅拌混合，得定型相变材料；(2)将所述定型相变材料与干燥的木质纤维材料粉末以及聚合物材料粉末充分搅拌混合，得混合材料；(3)将所述混合材料挤出，压制定型，即得。本发明提供的木塑复合材料工艺简单且成本较低，具有良好的蓄热性能，作为一种绿色可循环材料可用于室内温度的调节，可起到节约能源的效果。

Description

一种相变蓄热木塑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及相变材料和木塑复合材料领域，具体涉及一种相变蓄热木塑复合材料及其制备方法。
背景技术
相变材料由于在相变过程中能够吸收或释放大量的热，已经被广泛的应用于建筑节能领域。目前最常见的相变材料包括石蜡、正十二烷醇和硬脂酸等有机材料，它们具有无腐蚀性、化学性质稳定、相变潜热大等优点，但在相变过程中也存在体积变化大和易泄漏等缺点，大大影响了其实际应用。
为了解决泄漏问题，现有技术最常见的方法是采取微胶囊包覆、多孔性材料吸附和特制容器盛装。然而对于目前的相变材料定型方法而言，制备微胶囊工艺较为复杂，不适合进行大批量的工业生产；用特制容器盛装，耗费资源较大，同时大部分容器导热效率不高；采用多孔性材料吸附，虽然方法简单，成本也较低，但由于多孔性材料的半封闭性，在使用过程中还是存在泄漏及使用寿命短等问题。
木塑复合材料作为一类以木粉或木纤维为填料，以热塑性树脂为基体，通过挤出或热压成型而制备的复合材料，已经被广泛的应用于家具、建筑、包装运输、室外景观等领域。在相变材料的利用方面，现有技术公开了一种具有凹槽结构的木塑复合材料，并利用十水硫酸钠为相变材料，经活性炭吸附后填充于凹槽中，制成了具有恒温隔热作用的木塑型材。但现有技术加入相变材料的方式较为简单，只是利用特殊制造的具有中空或凹槽结构的木塑型材，将相变材料进行简单的填充，这不仅对木塑复合材料的制备提出了较高的要求，同时简单的填充导致材料的导热性能较差，影响了热量的传递。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种具有相变蓄热能力的新型木塑复合材料。
具体而言，本发明提供的相变蓄热木塑复合材料，以包括如下重量百分比的成分为原料制备而成：木质纤维材料粉末25～40％，聚合物材料粉末45～60％，相变材料5～25％，多孔性材料粉末1～10％。
优选地，以包括如下重量百分比的成分为原料制备而成：木质纤维材料粉末29～37％，聚合物材料粉末47～56％，相变材料5～20％，多孔性材料粉末1.5～6％。
更优选地，以包括如下重量百分比的成分为原料制备而成：木质纤维材料粉末31～34％，聚合物材料粉末47～49％，相变材料16～19％，多孔性材料粉末1.5～2.5％。
本发明所述木质纤维材料粉末是指以木质纤维材料为原料加工成的粉末。所述木质纤维材料为本领域常规材料，如木材、农作物秸秆、稻壳等。为了与其它材料发挥更好的协同作用，所述木质纤维材料粉末优选为木材加工成的粉末(简称木粉)。
本发明所述聚合物材料粉末是指以聚合物材料为原料加工成的粉末。所述聚合物材料为本领域常规材料，如聚乙烯、聚丙烯等。为了减少制备过程中相变材料的蒸发损失，所述聚合物材料粉末优选为高密度聚乙烯粉末。
本发明所述相变材料为本领域常规材料，如石蜡、硬脂酸等。为了满足实际需要，所述相变材料的相变温度优选为22～28℃。为了与其它材料发挥更好的协同作用，所述聚合物材料粉末优选为石蜡。
本发明所述多孔性材料粉末是指以多孔性材料为原料加工成的粉末。所述多孔性材料为本领域常规材料，如膨胀石墨、膨胀蛭石、硅藻土等。为了与其它材料发挥更好的协同作用，所述聚合物材料粉末优选为膨胀石墨粉末。
本发明提供的相变蓄热木塑复合材料对原料的组成及用量进行优选，确保木质纤维材料粉末、聚合物材料粉末、相变材料以及多孔性材料粉末之间发挥协同作用，从而提高相变蓄热木塑复合材料的综合性能。本发明利用多孔性材料作为定型材料，工艺简单且成本较低。本发明利用木塑复合材料作为二次定型材料，更好的阻止了相变材料的泄漏。
本发明进一步对原料的粒径进行优化，以确保各原料能够充分接触混合，确保相变材料不会泄露，同时确保相变蓄热木塑复合材料具有优异的蓄热性能。具体而言，本发明优选所述木质纤维材料粉末的粒径为20～200目，更优选为60～80目。本发明优选所述聚合物材料粉末的粒径为100～200目，更优选为180～200目。本发明优选所述多孔性材料粉末的粒径为20～60目，更优选为20～40目。
作为本发明的一种优选方案，所述相变蓄热木塑复合材料以包括如下重量百分比的成分为原料制备而成：60～80目的杨木粉31～34％，180～200目的高密度聚乙烯粉末47～49％，相变温度为22～28℃石蜡16～19％，20～40目的膨胀石墨粉末1.5～2.5％。
本发明同时提供了所述相变蓄热木塑复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)在真空条件下将多孔性材料粉末与熔融的相变材料充分搅拌混合，得定型相变材料；
(2)将所述定型相变材料与干燥的木质纤维材料粉末以及聚合物材料粉末充分搅拌混合，得混合材料；
(3)将所述混合材料挤出，冷却后粉碎，压制定型，即得。
本发明采用真空法成功使得相变材料被多孔材料所包覆，确保相变材料不会泄露，进一步将所得定型相变材料与木质纤维材料以及聚合物材料充分混合，使各原料之间充分接触，均匀混合，从而确保了所得复合材料具有良好的导热能力。
本发明所述方法在制备过程中要注意温度的控制，在满足反应条件要求的情况下尽量使用低温，防止相变材料的过度蒸发损失。
为了进一步提高相变蓄热木塑复合材料的蓄热性能，本发明对步骤(3)中的操作参数进行优选。
具体而言，所述挤出的螺杆转速150～200转/分钟，挤出温度为115～160℃。在实际操作中，所述挤出是在常规的挤出机中进行，挤出温度的五个区间温度可分别设置为140℃、160℃、160℃、160℃和115℃
所述粉碎优选为粉碎至粒径2～8mm。
所述压制定型优选为：先在130～140℃、3～5MPa条件下热压定型8～10min，再在10～30℃、3～5MPa条件下冷压定型5～7min。
本发明提供的木塑复合材料作为一种绿色可循环材料，将其与相变材料结合用于室内温度的调节，可起到节约能源的效果。本发明利用多孔性材料作为定型材料，工艺简单且成本较低，同时利用木塑复合材料作为二次定型材料，更好的阻止了相变材料的泄漏。本发明将定型相变材料与木塑复合材料组分均匀混合，确保了复合材料导热效率优异，具有良好的蓄热性能。
附图说明
图1是实施例1所得相变蓄热木塑复合材料的DSC测试结果。
图2是实施例3所得相变蓄热木塑复合材料的温度变化测试结果。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
以下各实施例中，膨胀石墨购自青岛恒润达石墨制品有限公司，膨胀蛭石购自灵寿县燕西矿产品加工厂，硅藻土购自灵寿县沃源矿产品加工厂，相变石蜡购自抚顺文新科技有限公司，杨木粉购自兴达木粉有限公司，高密度聚乙烯购自美国陶氏。
实施例1
本实施例提供了一种相变蓄热木塑复合材料，以如下成分为原料制备而成：20～40目的膨胀石墨粉末5g，相变温度为22～28℃的相变石蜡50g，60～80目杨木木粉95g，180～200目高密度聚乙烯粉末140g。
本实施例进一步提供了一种所述相变蓄热木塑复合材料的制备方法，具体为：
(1)将膨胀石墨放入锥形瓶中抽真空，将石蜡不断加入锥形瓶中并不断搅拌，使膨胀石墨充分吸收熔融石蜡；
(2)将木粉干燥至绝干，与高密度聚乙烯和制备好的相变材料置于高混机中高速混合均匀；将混合物送入挤出机中，螺杆转速为180转/分钟，五个区间温度分别为140、160、160、160和115℃；挤出物冷却后用粉碎机粉碎为颗粒状(2～8mm)；
(3)将挤出碎料230g放入270*270*3mm模具中，在140℃热压温度和4MPa的压力下热压9min，之后在20℃、4MPa进行6min的冷压定型，即得具有相变蓄热能力的木塑复合材料。
本实施例所得相变蓄热木塑复合材料的DSC测试结果如图1所示。从图1中可以看出，在结晶和熔融过程中复合材料的热焓值分别是22.21和21.12J/g。熔点为23.15℃，结晶转化温度有三个，分别为18.33、13.32和5.16℃。
实施例2
本实施例提供了一种相变蓄热木塑复合材料，以如下成分为原料制备而成：20～40目的膨胀蛭石10g，相变温度为22～28℃的正十二烷醇30g，60～80目杨木木粉80g，80～200目的高密度聚乙烯150g。
本实施例进一步提供了一种所述相变蓄热木塑复合材料的制备方法，具体为：
(1)将膨胀蛭石放入锥形瓶中抽真空，将正十二烷醇不断加入锥形瓶中并不断搅拌，使蛭石充分吸收十二烷醇；
(2)将木粉干燥至绝干，与高密度聚乙烯和制备好的相变材料置于高混机中高速混合均匀；将混合物送入挤出机中，螺杆转速为180转/分钟，五个区间温度分别为140、160、160、160和115℃；挤出物冷却后用粉碎机粉碎为颗粒状(2～8mm)；
(3)将挤出碎料220g放入270*270*3mm模具中，在135℃热压温度和4MPa的压力下热压9min，之后在20℃、4MPa进行6min的冷压定型，即得具有相变蓄热能力的木塑复合材料。
实施例3
本实施例提供了一种相变蓄热木塑复合材料，以如下成分为原料制备而成：20～40目的硅藻土15g，相变温度为22～28℃的十八烷15g，60～80目杨木木粉95g，180～200目的高密度聚乙烯135g。
本实施例进一步提供了一种所述相变蓄热木塑复合材料的制备方法，具体为：
(1)将硅藻土放入锥形瓶中抽真空，将十八烷不断加入锥形瓶中并不断搅拌，使硅藻土充分吸收十八烷；
(2)将木粉干燥至绝干，与高密度聚乙烯和制备好的相变材料置于高混机中高速混合均匀；将混合物送入挤出机中，螺杆转速为180转/分钟，五个区间温度分别为140、160、160、160和115℃；挤出物冷却后用粉碎机粉碎为颗粒状(2～8mm)；
(3)将挤出碎料240g放入270*270*3mm模具中，在130℃热压温度和4MPa的压力下热压10min，之后在20℃、4MPa进行6min的冷压定型，即得具有相变蓄热能力的木塑复合材料。
所得相变蓄热木塑复合材料的温度变化测试结果如图2所示。从图2中可以看出，相变蓄热木塑复合材料温度变化明显滞后普通木塑复合材料，调温效果明显。
经检测，上述各实施例中，实施例1所得相变蓄热木塑复合材料的蓄热性能最佳。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种相变蓄热木塑复合材料，其特征在于，以包括如下重量百分比的成分为原料制备而成：木质纤维材料粉末25～40％，聚合物材料粉末45～60％，相变材料5～25％，多孔性材料粉末1～10％。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，以包括如下重量百分比的成分为原料制备而成：木质纤维材料粉末29～37％，聚合物材料粉末47～56％，相变材料5～20％，多孔性材料粉末1.5～6％；
优选地，以包括如下重量百分比的成分为原料制备而成：木质纤维材料粉末31～34％，聚合物材料粉末47～49％，相变材料16～19％，多孔性材料粉末1.5～2.5％。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述木质纤维材料粉末为以木材、农作物秸秆或稻壳为原料加工成的粉末，优选为木粉。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述聚合物材料粉末为以聚乙烯或聚丙烯为原料加工成的粉末，优选为高密度聚乙烯粉末。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述相变材料为石蜡或硬脂酸；优选所述相变材料的相变温度22～28℃。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述多孔性材料粉末是以膨胀石墨、膨胀蛭石或硅藻土为原料加工成的粉末，优选为膨胀石墨粉末。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述木质纤维材料粉末的粒径为20～200目，优选为60～80目；
和/或，所述聚合物材料粉末的粒径为100～200目，优选为180～200目；
和/或，所述多孔性材料粉末的粒径为20～60目，优选为20～40目。
8.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，以包括如下重量百分比的成分为原料制备而成：60～80目的杨木粉31～34％，180～200目的高密度聚乙烯粉末47～49％，相变温度为22～28℃石蜡16～19％，20～40目的膨胀石墨粉末1.5～2.5％。
9.权利要求1～8任意一项所述相变蓄热木塑复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在真空条件下将多孔性材料粉末与熔融的相变材料充分搅拌混合，得定型相变材料；
(2)将所述定型相变材料与干燥的木质纤维材料粉末以及聚合物材料粉末充分搅拌混合，得混合材料；
(3)将所述混合材料挤出，冷却后粉碎，压制定型，即得。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述挤出的螺杆转速150～200转/分钟，挤出温度为115～160℃；
和/或，所述粉碎为粉碎至粒径2～8mm；
和/或，所述压制定型具体为：先在130～140℃、3～5MPa条件下热压定型8～10min，再在10～30℃、3～5MPa条件下冷压定型5～7min。
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