CN106746922A - 一种用于温差发电路面的隔温层材料、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于温差发电路面的隔温层材料、制备方法及应用，该材料包括以下材料制成：基质沥青、辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂、膨胀蛭石颗粒、六钛酸钾晶须粉、硅酸铝纤维和高粘度沥青改性剂。该材料用于铺设温差发电路面的隔温层的应用。本发明的隔温层材料铺筑于温差发电路面的结构层中后，能够高效阻隔路表热量进一步向路面深度范围内的传导，使路面的热量集中于温差发电系统的热量收集区域内，有助于提升温差发电系统中路面的热量收集效率和温差发电效率。

Description

一种用于温差发电路面的隔温层材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于路面材料领域，涉及隔温层材料，具体涉及一种用于温差发电路面的隔温层材料、制备方法及应用。
背景技术
沥青路面具有平整、舒适等优点，是目前公路与城市道路路面的主要类型。大约有90％以上的高速公路均采用沥青路面。在沥青路面中，沥青含量大约为4～6％(质量比)，黑色的沥青使得路面的颜色整体呈黑灰色，这种深色的沥青路面在太阳辐射的作用下容易吸热，一方面易造成路面的车辙病害，影响路面的使用性能与耐久性；另一方面，这种白天吸热夜间放热的路面材料也加重了城市热岛效应，使得城市温度比周边郊区高2～3℃，从而进一步恶化了城市环境以及带来能耗的额外增加。
为了缓解沥青路面的这种吸热特性带来的负面效应，同时合理的利用路面热量，通过热电转换将路面的热量转化为电能。例如：文献1(李锐铎，朱存贞，孙振阳，李小江.沥青混凝土路面发电降温系统室内试验研究[J].河南城建学院学报，2014,23(4)：34-38.)公开了一种沥青混凝土路面发电降温系统，具体公开的温差发电系统通过在室内采用碘钨灯照射模拟太阳辐射，并将24块半导体发电元件埋入沥青路面中，构建了路面温差发电装置，当温差发电片热端温度达到60℃时，获得了约1.4V的电压。文献2(胡甫才,朱顺敏,汪岸,熊盛光.沥青路面温差发电系统设计分析与试验研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2014,38(4):834-838.)公开了一种沥青混凝土路面发电降温系统，具体公开的温差发电系统通过在室内采用沥青混合料试件内埋设铝片，并在铝片下方布设6块温差发电片和散热片，其构建的系统在温差发电片冷热端温差为20℃时达到约1V的电压。这种路面温差发电系统的基本原理是基于塞贝克(Seebeck)效应，通过温差发电片冷端与热端的温度差产生电压。
总体来看，现有的技术中通过路面温差发电装置与系统的布设获取了一定的电能，但总体转换效率偏低，这其中与路面能量的传导与收集效率相关。在城市道路中，沥青路面通常的厚度为10～15cm，路面在接受太阳辐射后，热量的传导路径从高温区向低温区，因此会沿着路面的深度方向向下传递，从而使得热量不能聚集在所需要的能量获取区域内，限制了温差发电系统中热端能量的获取效率。
因此，从路面材料的角度出发，提升其在温差发电系统中热量供给能力与效率，能够提高路面的温差发电效率，是本领域技术人员所关注的课题之一。
发明内容
针对目前在温差发电路面系统中路面热量传导的范围过广，热量不能集中于温差发电系统的能量收集区域内，导致温差发电系统中热端能量获取效率偏低，进而影响温差发电的效率等问题，本发明的目的在于，提供一种用于温差发电路面的隔温层材料、制备方法及应用，将隔温层材料布设在合理的路面层位，以高效阻隔路表热量进一步向路面深度范围内的传导，使路面的热量集中于温差发电系统的热量收集区域内，从而提升温差发电系统中路面的热量收集效率，进一步提高路面的温差发电效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种用于温差发电路面的隔温层材料，该材料包括以下材料制成：基质沥青、辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂、膨胀蛭石颗粒、六钛酸钾晶须粉、硅酸铝纤维和高粘度沥青改性剂。
本发明还具有如下区别技术特征：
具体的，以重量份数计，由以下原料制成：基质沥青为4～7份，辉绿岩集料为35～50份，煅烧铝矾土颗粒为15～35份，膨胀珍珠岩矿砂为2～3，膨胀蛭石颗粒为5～15份，六钛酸钾晶须粉为0.5～1份，硅酸铝纤维为0.1～0.2份，高粘度沥青改性剂为0.7～1.2份。
优选的，以重量份数计，由以下原料制成：基质沥青为5份，辉绿岩集料为45份，煅烧铝矾土颗粒为25份，膨胀珍珠岩矿砂为2.5，膨胀蛭石颗粒为7份，六钛酸钾晶须粉为0.6份，硅酸铝纤维为0.15份，高粘度沥青改性剂为0.9份。
一种用于温差发电路面的隔温层材料的制备方法，该方法采用如上所述的用于温差发电路面的隔温层材料的配方，该方法按照以下步骤进行：
步骤一，将辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂、膨胀蛭石颗粒放入温度为185℃的烘箱保温10～12小时，将六钛酸钾晶须粉放入175℃烘箱保温10-12小时；
步骤二，将75％配方用量的基质沥青加热至175～180℃，拌和时，将达到保温温度的辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂和膨胀蛭石倒入拌和锅中拌和30～40秒；
步骤三，往拌和锅中加入高粘度沥青改性剂和硅酸铝纤维并拌和60～80秒，再往拌和锅中加入25％配方用量的基质沥青并拌和60～80秒，
步骤四，最后往拌和锅中加入六钛酸钾晶须粉并拌和60～80秒，制备得到热拌混合料，即为用于温差发电路面的隔温层材料。
如上所述的用于温差发电路面的隔温层材料用于铺设温差发电路面的隔温层的应用。
所述的隔温层的厚度为4～5cm，所述的隔温层铺设于厚度为2～3cm的路面表面层下方。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明的隔温层材料铺筑于温差发电路面的结构层中后，能够高效阻隔路表热量进一步向路面深度范围内的传导，使路面的热量集中于温差发电系统的热量收集区域内，有助于提升温差发电系统中路面的热量收集效率和温差发电效率。另外：
(Ⅱ)本发明中的材料主要为自然界广泛存在的矿石材料，成本较低。同时，本发明的隔温层材料在路面沥青混合料的基础上，掺加了具有较低热导率且抗压强度满足路用性能要求的煅烧铝矾土颗粒，粒径范围为3～10mm。此外，基于材料的粒径范围和导热系数需求，在本发明中掺加了膨胀珍珠岩矿砂和膨胀蛭石颗粒，填充了辉绿岩和煅烧铝矾土等较大颗粒材料所构建的骨架结构的间隙，减小路面的空隙率，同时提升隔温层的隔温效果。且膨胀蛭石与膨胀珍珠岩矿砂和煅烧铝矾土等材料相比，质量更轻，有助于减小整体隔温层材料的质量，更利于路面受力。
(Ⅲ)采用六钛酸钾晶须粉作为隔温层中混合料的填料，六钛酸钾晶须粉属于粉体材料，比表面积较大，在拌和过程中，一方面与沥青裹覆后，形成沥青胶浆，有助于提高隔温层混合料整体的强度和稳定性，另一方面，与沥青形成的胶浆也能够进一步填充空隙，密实隔温层材料。同时六钛酸钾晶须粉作为低热导率隔热材料作为填料有助于进一步降低隔温层的热导率。
(Ⅳ)采用硅酸铝纤维一方面用于改善隔温层材料的抗裂性能，另一方面硅酸铝纤维也具有热传导率低的优点，在提升材料性能的同时能够增强隔温效果。
(Ⅴ)本发明的隔温层在混合料中掺加了高粘度沥青改性剂，用于提升隔温层各种材料与沥青的粘结力，增强隔温层材料的整体强度。
(Ⅵ)隔温层材料中由于采用了硅酸铝纤维和高粘度沥青，整体材料具有良好的较高的强度和良好的路用性能，特别是具有高温抗车辙能力和较高的抗剪强度。
(Ⅶ)本发明隔温层材料的应用是将其设置于路面面层2～3cm以下的层位，其上可以铺筑普通沥青混合料，例如常见的AC-13或SMA-13，这种层位和结构设置的主要目的是将太阳辐射的热量主要集中于沥青路面表面层2-3cm内，进一步阻止和减少路面热量向下面的结构层中传递。这种设置隔温层的路面用于温差发电路面时，在隔温层的顶部布设相应的热量传导材料将热量供给给温差发电片的热端，通过隔温层对热量传递的阻隔，能够提升温差发电片热端的能量供给效率，从而提升路面的温差发电效率。
附图说明
图1为未设置隔温层的普通路面与设置隔温层材料后路面升温与发电效率效果对比。
图2(a)为未设置隔温层的混合料试件结构；图2(b)为设置隔温层的混合料试件结构。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
下述实施例中，各个原料的规格要求如下所述：
基质沥青为石油沥青，技术性能指标符合道路石油沥青的技术要求。优选的，基质沥青为韩国SK-90沥青。沥青的主要技术指标如表1所示。
表1
针入度(25℃，0.1mm) 延度(15℃，cm) 软化点(℃)
102.5 200 46.9
辉绿岩集料是指辉绿岩经破碎后，粒径大小、颗粒形状和强度等指标符合道路集料的技术要求。粒径为10～20mm，优选的，辉绿岩集料为陕西安康辉绿岩，通过筛分，选取粒径为10mm-20mm的部分，技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的技术要求。
煅烧铝矾土颗粒是指铝矾土经煅烧后，Al2O3含量大于48％、而含Fe2O3较低的铝土矿，外观呈灰白浅黄。粒径为3～10mm，优选的，煅烧铝矾土颗粒为山西阳泉产煅烧铝矾土，通过筛分选取粒径为3mm-10mm的部分，煅烧铝矾土的主要技术指标如下：体密度为2.8，吸水率≤3％，氧化铝含量82％，Al2O3>80％，Fe2O3≤2.0％，TiO2≤4.0％，CaO+MgO≤0.5％，K2O+Na2O≤0.5％。
膨胀珍珠岩矿砂是由酸性火山玻璃质熔岩(珍珠岩)经破碎，筛分至一定粒度，再经预热，瞬间高温焙烧而制成的一种内部为蜂窝状结构的白色或浅色的材料。粒径为0.3～3mm，优选的，膨胀珍珠岩矿砂为信阳市平桥区龙徽珍珠岩厂产，选取粒径为0.3-3mm部分，其主要化学成分如表2所示。
表2
含量 SiO2 Al2O3 FeO CaO 烧失量
指标％ 72 13 0.3 0.36 4.9
膨胀蛭石颗粒是蛭石在850～1000℃的温度经煅烧后得到的颗粒材料。粒径为0～1mm，优选的，膨胀蛭石颗粒：河北石家庄产膨胀蛭石，通过筛分选取粒径为0-1mm部分，导热系数为0.047～0.07W/(m·K)，熔点为1370～1400℃。
六钛酸钾晶须粉是一种尺寸细小，长径比大(直径为0.2μm～1.0μm，长10μm～80μm)的粉体材料。优选的，六钛酸钾晶须粉为山东潍坊产，通过筛分选取粒径为0～0.15mm部分，其外观呈白色，主要化学成分为K2O·6TiO2，比表面积为3-10m2/g，软化点1200℃，烧失量小于0.5％。
硅酸铝纤维是将高岭土、氧化铝、硅石按一定比例混合，放入电弧炉或电阻式电炉中于2000℃以上高温熔融，将熔体以细流出炉，并用高速气流吹到熔融体上形成的纤维化材料。优选的，硅酸铝纤维为山东淄博产，外观洁白，绒絮状，主要技术指标如表3所示。
表3
参数 纤维直径 Al2O3 Al2O3+SiO2 Fe2O3 Na2O+K2O
指标 3-4.5μm 46％ 97％ ＜1％ ≤0.5
高粘度沥青改性剂为一种沥青改性剂，其主要成分为热塑性橡胶、树脂和SBR，外观为2-3mm的淡黄色颗粒，在沥青混合料拌和时投入主要用于提升沥青的60℃粘度。优选的，高粘度沥青改性剂为深圳海川SINOTPS，当掺加沥青质量15％的SINOTPS后，沥青的主要技术指标如表4所示。
表4
检测项目 掺加SINOTPS后沥青指标
软化点(℃) 81
针入度25℃(0.1mm) 51.3
延度15℃(cm) ＞100
薄膜加热质量变化率(％) 0.32
薄膜加热针入度残留率(％) 83
60℃粘度(Pa·s) 87651
由辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂、膨胀蛭石颗粒和六钛酸钾晶须粉组成的颗粒和粉体材料的级配范围为：筛孔尺寸19mm，级配范围为100％；筛孔尺寸16mm，级配范围为90～100％；筛孔尺寸13.2mm，级配范围为68～80％；筛孔尺寸9.5mm，级配范围为50～60；筛孔尺寸4.75mm，级配范围为25～38；筛孔尺寸2.36mm，级配范围为20～30；筛孔尺寸1.18mm，级配范围为15～25；筛孔尺寸0.6mm，级配范围为10～20；筛孔尺寸0.075mm，级配范围为2～10。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种用于温差发电路面的隔温层材料，以重量份数计，由以下原料制成：基质沥青为5份，辉绿岩集料为45份，煅烧铝矾土颗粒为25份，膨胀珍珠岩矿砂为2.5，膨胀蛭石颗粒为7份，六钛酸钾晶须粉为0.6份，硅酸铝纤维为0.15份，高粘度沥青改性剂为0.9份。
本实施例的用于温差发电路面的隔温层材料的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤一，将辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂、膨胀蛭石颗粒放入温度为185℃的烘箱保温10小时，将六钛酸钾晶须粉放入175℃烘箱保温10小时；
步骤二，将75％配方用量的基质沥青加热至180℃，拌和时，将达到保温温度的辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂和膨胀蛭石倒入拌和锅中拌和40秒；
步骤三，往拌和锅中加入高粘度沥青改性剂和硅酸铝纤维并拌和60秒，再往拌和锅中加入25％配方用量的基质沥青并拌和60秒，
步骤四，最后往拌和锅中加入六钛酸钾晶须粉并拌和60秒，制备得到热拌混合料，即为用于温差发电路面的隔温层材料。
实施例2：
本实施例给出一种用于温差发电路面的隔温层材料，以重量份数计，由以下原料制成：基质沥青为4份，辉绿岩集料为35份，煅烧铝矾土颗粒为15份，膨胀珍珠岩矿砂为2份，膨胀蛭石颗粒为5份，六钛酸钾晶须粉为0.5份，硅酸铝纤维为0.1份，高粘度沥青改性剂为0.7份。
本实施例的用于温差发电路面的隔温层材料的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤一，将辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂、膨胀蛭石颗粒放入温度为185℃的烘箱保温12小时，将六钛酸钾晶须粉放入175℃烘箱保温12小时；
步骤二，将75％配方用量的基质沥青加热至175℃，拌和时，将达到保温温度的辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂和膨胀蛭石倒入拌和锅中拌和30秒；
步骤三，往拌和锅中加入高粘度沥青改性剂和硅酸铝纤维并拌和80秒，再往拌和锅中加入25％配方用量的基质沥青并拌和80秒，
步骤四，最后往拌和锅中加入六钛酸钾晶须粉并拌和80秒，制备得到热拌混合料，即为用于温差发电路面的隔温层材料。
实施例3：
本实施例给出一种用于温差发电路面的隔温层材料，以重量份数计，由以下原料制成：基质沥青为7份，辉绿岩集料为50份，煅烧铝矾土颗粒为35份，膨胀珍珠岩矿砂为3份，膨胀蛭石颗粒为15份，六钛酸钾晶须粉为1份，硅酸铝纤维为0.2份，高粘度沥青改性剂为1.2份。
本实施例的用于温差发电路面的隔温层材料的制备方法与实施例1相同。
实施例4：
本实施例给出一种温差发电路面，该温差发电路面从下到上依次为下面层、隔温层和路面表面层；
下面层为普通路面的下面层。
隔温层采用实施例1中的用于温差发电路面的隔温层材料铺设而成，隔温层的厚度为4～5cm，以5cm为佳。
路面表面层采用普通沥青混合料，例如常见的AC-13或SMA-13。
路面表面层的厚度为2～3cm，以3cm为佳。
以实施例1的用于温差发电路面的隔温层材料配方为例，进行性能与功能试验：
试件制备：
(1)拌和完成后在温度为160℃左右将用于温差发电路面的隔温层材料放入沥青车辙板试模中，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)中轮碾法(T0703)成型车辙板试件，试件为300mm×300mm×50mm的板块。
(2)等试件放置48h冷却后，再在其上铺筑一层厚度为3cm的AC-13沥青混合料。所用的沥青为SK-90基质沥青，集料为辉绿岩，级配如表5所示。混合料拌和与成型方法均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)中轮碾法(T 0703)成型车辙板试件，试件为300mm×300mm×30mm的板块。至此，设置隔温层的路面试件已成型完成，结构如图2(b)所示。
表5
(3)未设置隔温层的路面试件的拌和与成型方法均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)中轮碾法(T 0703)成型车辙板试件，首先成型AC-16沥青混合料，集料为辉绿岩，沥青为SK-90基质沥青，级配如表6所示。混合料拌和与成型方法均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)中轮碾法(T 0703)成型车辙板试件，试件为300mm×300mm×50mm的板块。
表6
等试件放置48h冷却后，再在其上铺筑一层厚度为3cm的AC-13沥青混合料。所用的沥青为SK-90基质沥青，集料为辉绿岩，级配如表5所示。混合料拌和与成型方法均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE-20-2011)中轮碾法(T 0703)成型车辙板试件，试件为300mm×300mm×30mm的板块。至此，未设置隔温层的路面试件已成型完成，结构如图2(a)所示。
路面升温试验：
利用上述两种路面材料试件，按如下方法测定其在相同的辐射条件下的升温速率。
①将两种路面材料车辙板试件(设置隔温层的路面试件和未设置隔温层的路面试件)置于500瓦的碘钨灯下方，调整碘钨灯高度距离试件表面40cm。
②打开碘钨灯模拟太阳辐射照射试件表面，使试件升温，在升温过程中，采用红外热成像仪记录试件表面的温度。试验结果应取3组试件温度的平均值。
红外热成像仪器每隔5min时间记录一次数据试件表面温度，得到两种试件试验结果如图1所示。
由表7可以看出，设置隔温层的路面试件，当光照时间为180min时，路表温度升温效果达到47℃；而未设置隔温层的试件，在光照时间为300min时，路表温度达到46.2℃，表明设置隔温层材料的试件升温速率较快。此外，设置了隔温层材料的试件达到了温度的稳定值为48.2℃左右，而未设置隔温层的试件温度的稳定值在46.8℃左右，表明隔温层材料阻止了热量向试件深度方向传递，从而使路面获得了更多的热量。
表7
时间/min 未设置隔温层的温度/℃ 设置隔温层的温度/℃
1 24.8 24.8
30 32.7 35.0
60 36.6 38.7
90 38.9 41.5
120 40.8 43.3
150 42.0 45.1
180 43.5 47.0
210 44.2 48.0
240 45.0 48.2
270 45.6 48.2
300 46.2 48.2
330 46.8 48.1
360 46.8 48.2

Claims (6)

1.一种用于温差发电路面的隔温层材料，其特征在于，该材料包括以下材料制成：基质沥青、辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂、膨胀蛭石颗粒、六钛酸钾晶须粉、硅酸铝纤维和高粘度沥青改性剂。
2.如权利要求1所述的用于温差发电路面的隔温层材料，其特征在于，以重量份数计，由以下原料制成：基质沥青为4～7份，辉绿岩集料为35～50份，煅烧铝矾土颗粒为15～35份，膨胀珍珠岩矿砂为2～3，膨胀蛭石颗粒为5～15份，六钛酸钾晶须粉为0.5～1份，硅酸铝纤维为0.1～0.2份，高粘度沥青改性剂为0.7～1.2份。
3.如权利要求2所述的用于温差发电路面的隔温层材料，其特征在于，以重量份数计，由以下原料制成：基质沥青为5份，辉绿岩集料为45份，煅烧铝矾土颗粒为25份，膨胀珍珠岩矿砂为2.5，膨胀蛭石颗粒为7份，六钛酸钾晶须粉为0.6份，硅酸铝纤维为0.15份，高粘度沥青改性剂为0.9份。
4.一种用于温差发电路面的隔温层材料的制备方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1、2或3所述的用于温差发电路面的隔温层材料的配方，该方法按照以下步骤进行：
步骤一，将辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂、膨胀蛭石颗粒放入温度为185℃的烘箱保温10～12小时，将六钛酸钾晶须粉放入175℃烘箱保温10～12小时；
步骤二，将75％配方用量的基质沥青加热至175～180℃，拌和时，将达到保温温度的辉绿岩集料、煅烧铝矾土颗粒、膨胀珍珠岩矿砂和膨胀蛭石倒入拌和锅中拌和30～40秒；
步骤三，往拌和锅中加入高粘度沥青改性剂和硅酸铝纤维并拌和60～80秒，再往拌和锅中加入25％配方用量的基质沥青并拌和60～80秒，
步骤四，最后往拌和锅中加入六钛酸钾晶须粉并拌和60～80秒，制备得到热拌混合料，即为用于温差发电路面的隔温层材料。
5.如权利要求1、2或3所述的用于温差发电路面的隔温层材料用于铺设温差发电路面的隔温层的应用。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的隔温层的厚度为4～5cm，所述的隔温层铺设于厚度为2～3cm的路面表面层下方。
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