CN107936919B - 一种相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂及其制备方法 - Google Patents

一种相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂，它包括载体和包覆在载体表面的高分子材料膜；其中，载体的孔道和层状结构中封装有融雪物质和相变材料。本发明还公开了该智能型融雪剂的制备方法。与现有技术相比，本发明利用复合相变材料的分阶段放热，扩大了温度调节范围，可持续为路面提供热能用于路面冰雪的融化。同时，相变材料随外部环境温度变化释放或吸收热量，影响载体材料孔洞的热胀冷缩，使包裹的融雪剂只在0℃以下时缓慢析出，增加其服役时效性。最后，本发明采用物理吸附与化学封装相结合的封装技术，解决了融雪物质易被雨水冲刷掉、不能持久释放的问题，从而减少融雪剂的使用量，降低环境污染。

Description

一种相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂及其制备方法
技术领域
本发明属于路面材料技术领域，具体涉及一种相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂及其制备方法。
背景技术
路面的抗滑性能是保证车辆安全行驶的关键因素。但在冬季，路面积雪结冰现象较为常见，冰雪致使车辆轮胎的附着系数大大降低。相关资料显示：干燥沥青路面的附着系数约为0.6，而积雪路面的附着系数为0.2，结冰道路的附着系数为0.15，分别为干燥沥青路面的1/3和1/4。因此，在冰雪路面上汽车容易打滑、跑偏、制动距离显著延长，严重影响了车辆的操作稳定性和安全性，交通事故率高发。
在此背景下，国内外道路研究工作者对蓄盐类沥青混凝土路面进行了大量研究，发现目前普遍采用的蓄盐类融雪剂(如Mafilon、Verglimit)存在着融冰化雪时效性不足的致命缺陷，主要是由于传统蓄盐类融雪剂的析出机制依赖于外部压力因素，内部盐分随着行车荷载的作用会通过封装体的孔隙析出，与外部环境温度变化没有必然联系。这就使得盐化物在一年四季均有析出，造成融雪剂的大量浪费，导致了融雪剂的时效性不足。
相变材料(Phase change materials，简称PCM)，又称为潜热储能材料，具有在相变过程中将热量以潜热的形式储存于自身或释放给环境的性能，可用于热能储存或调解周围环境温度。然而相变材料的潜热储能过程仅发生在相变温度点，不能持续潜热储能，所以单一相变材料不能持续地为路面提供热能用于路面冰雪的融化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂，以解决现有技术存在的时效性不足等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂，所述的融雪剂包括载体和包覆在载体表面的高分子材料膜；其中，载体的孔道和层状结构中封装有融雪物质和相变材料；
其中，
载体为火成岩、粉煤灰、水滑石和硅胶中任意一种或几种的组合；优选火成岩；
高分子材料为聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯和环氧树脂中的任意一种或几种的组合；优选聚乙烯和聚氨酯的组合；进一步的，优选为聚乙烯和聚氨酯的等质量比组合。
相变材料为乙二醇、石蜡、氯化铵、新戊二醇、十二醇、三羟甲基丙烷和石墨烯中任意两种或两种以上的组合。
其中，相变材料的优选组合为：乙二醇、石蜡和氯化铵；乙二醇、石蜡和十二醇；乙二醇、新戊二醇和氯化铵；乙二醇、石蜡和石墨烯。
进一步的，相变材料的优选组合及其质量比为：乙二醇：石蜡：氯化铵＝5:3:2；乙二醇：石蜡：十二醇＝5：2：3；乙二醇：新戊二醇：氯化铵＝4：3：3；乙二醇：石蜡：石墨烯＝7：2：1。
融雪物质为NaCl、CaCl2和MgCl2中任意一种或几种的组合；优选组合为NaCl和CaCl2，质量比为6：4。
上述相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂的制备方法，它包括如下步骤：
(1)将相变材料溶于有机溶剂中，加入融雪物质，混合均匀后再加入载体，进行物理吸附，将相变材料和融雪物质封装在载体材料的孔道或层状结构中；物理吸附完成后，过滤取固体部分，烘干至恒重后研磨成粉状物；
(2)采用高分子材料对步骤(1)中所得粉状物进行胶囊化包覆，得到复合智能型融雪剂。
步骤(1)中，所述的有机溶剂为丙酮、四氯化碳或乙醚。
步骤(1)中，相变材料、有机溶剂、融雪物质和载体的质量比为0.1～1：20～40：1：0.1～0.5。
步骤(1)中，所述的物理吸附是指在10～40℃下静置2～3h。
步骤(1)中，研磨所得粉状物的粒径小于150目。
步骤(2)中，高分子材料和粉状物的质量比为1：20～25。
步骤(2)中，所述的胶囊化包覆为本领域公知技术手段，它是指将固体、液体或气体物质包埋、封存在一种微型胶囊中成为一种固体微粒产品的技术，使之与外界不宜环境相隔绝，最大限度地保持原有性能和生物活性，防止物质的破坏和损失。其中，所述的胶囊化包覆优选采用界面聚合法、原位聚合法等方法实现；
其中，界面聚合法可参考现有文献：董利敏,邵建中,柴丽琴,吴颖,张克和.基于界面聚合法的橄榄油聚氨酯微胶囊制备[J].纺织学报,2009,30(08):73-78.；
原位聚合法可参考现有文献：鄢瑛,刘剑,张会平.微胶囊相变材料的原位聚合法合成与性能[J].华南理工大学学报(自然科学版),2009,37(09):139-143.。
有益效果：与现有技术相比，本发明针对传统蓄盐类融雪剂时效性不足的问题，研究利用相变材料的潜热储能去控制盐化物的析出方式，设计一种“外部环境温度升降－分阶段激发相变材料潜热储能－影响载体材料孔洞的热胀冷缩－控制盐化物析出”的智能温控析出方法，研制出相变蓄能与温控析出相结合的复合智能型融雪剂，使其材料时效性比目前市场产品使用年限增加4倍以上，具体优势如下：
1.利用复合相变材料的分阶段放热，扩大了温度调节范围，可持续为路面提供热能用于路面冰雪的融化。
2.相变材料随外部环境温度变化释放或吸收热量，影响载体材料孔洞的热胀冷缩，使包裹的融雪剂只在0℃以下时缓慢析出，增加其服役时效性。
3.采用物理吸附与化学封装相结合的封装技术，解决了融雪物质易被雨水冲刷掉、不能持久释放的问题，从而减少融雪剂的使用量，降低环境污染。
附图说明
图1为复合材料封装技术示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
步骤1：物理吸附
将0.5g乙二醇、0.3g石蜡和0.2g氯化铵完全溶于30g四氯化碳溶液中，同时加入0.6g氯化钠和0.4g氯化钙，用玻璃棒混合搅拌均匀；之后加入0.3g火成岩用于进行物理吸附，常温下(10～40℃)静置3h，完成吸附；过滤得到固体部分，105℃烘箱中加热30min，冷却至室温后，采用玛瑙研钵进行研磨，控制粒径小于150目。
步骤2：化学封装
取0.5g聚氨酯和0.5g聚乙烯溶于5g蒸馏水中，用1％的NaOH溶液调整pH值至4～4.5，再称取0.2g聚酯加入瓶中，升温至80℃，反应15min后得到预聚体溶液；称取0.1g非离子型乳化剂和20g经物理吸附得到的融雪剂粉状物，溶于40g微碱性水中乳化15min，之后滴入4g的预聚体溶液，并用1％的柠檬酸调节pH值至4，待微胶囊成型后，升温至70℃，继续恒温反应2h，将所得产物抽滤，水洗，加入恒温鼓风干燥性汇总烘干即可得到复合智能型融雪剂。复合材料的封装技术示意图参见图1。
实施例2
步骤1：物理吸附
将0.4g乙二醇、0.3g新戊二醇和0.3g氯化铵完全溶于30g四氯化碳溶液中，同时加入质量数为1g的氯化钠，用玻璃棒混合搅拌均匀；之后加入0.3g硅胶用于进行物理吸附，常温下(10～40℃)静置3h，完成吸附；过滤得到固体部分，105℃烘箱中加热30min，冷却至室温后，采用玛瑙研钵进行研磨，控制粒径小于150目。
步骤2：化学封装
在实施例1的化学封装步骤2中，将0.5g聚氨酯和0.5g聚乙烯换成1g聚丙烯，其他步骤与实施例1相同，制备得到复合智能型融雪剂。
实施例3
步骤1：物理吸附
将0.5g乙二醇、0.2g石蜡和0.3g十二醇完全溶于30g丙酮溶液中，同时加入0.6g氯化钠和0.4g氯化钙，用玻璃棒混合搅拌均匀；之后加入0.3g火成岩用于进行物理吸附，常温下(10～40℃)静置3h，完成吸附；过滤得到固体部分，105℃烘箱中加热30min，冷却至室温后，采用玛瑙研钵进行研磨，控制粒径小于150目。
步骤2：化学封装
在实施例1的化学封装步骤2中，将0.5g聚氨酯和0.5g聚乙烯换成0.5g聚氨酯和0.5g聚丙烯，其他步骤与实施例1相同，制备得到复合智能型融雪剂。
实施例4
步骤1：物理吸附
将0.7g乙二醇、0.2g石蜡和0.1g石墨烯完全溶于30g四氯化碳溶液中，同时加入0.6g氯化钠和0.4g氯化钙，，用玻璃棒混合搅拌均匀；之后加入0.3g水滑石用于进行物理吸附，常温下(10～40℃)静置3h，完成吸附；过滤得到固体部分，105℃烘箱中加热30min，冷却至室温后，采用玛瑙研钵进行研磨，控制粒径小于150目。
步骤2：化学封装
该步骤与实施例1相同，制备得到复合智能型融雪剂。
实施例5
为了验证本发明的有益效果，发明人对本发明实施例1得到的复合智能型融雪剂进行了性能研究，试验情况如下：
将复合智能型融雪剂等体积比例代替矿粉，加入到沥青混合料中，根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型车辙板试件，用以验证融雪剂的时效性。同时在车辙加载设备的基础上，添加低温空气压缩机并增加箱体的保温性能，使得加载设备的工作温度范围从原有的常温到60℃，拓宽至-20℃～60℃，满足试验测试的工作温度范围。而后，对智能性材料和传统蓄盐类材料进行不同温度下的重复轮载碾压试验，采用溶液浸泡法对试件析出的盐化物含量进行测定和观察，得到12h内温度-盐化物析出量的变化关系，如表1所示。
表1温度-盐化物析出量对应关系表
观察表1可以发现，智能型融雪剂材料相比传统蓄盐类材料温控效果明显，在温度高于0℃的情况下12h内盐化物的析出量仅为0.2g/m2左右，远远小于传统蓄盐类材料的39g/m2，由此可以说明本发明得到的融雪剂其时效性将比目前市场产品的使用年限增加4倍以上；同时在温度低于0℃的情况下，智能型融雪剂材料的析出量要大于传统型蓄盐类材料的析出量，融雪效果更佳。

Claims (5)

1.一种相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂，其特征在于，所述的融雪剂包括载体和包覆在载体表面的高分子材料膜；其中，载体的孔道和层状结构中封装有融雪物质和相变材料；
其中，
载体为火成岩、粉煤灰、水滑石和硅胶中任意一种或几种的组合；
高分子材料为聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酯和环氧树脂中的任意一种或几种的组合；
相变材料的成分及其质量比为：乙二醇：石蜡：氯化铵=5:3:2；
融雪物质为NaCl、CaCl2和MgCl2中的任意一种或几种的组合；
所述的相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂按如下步骤制备得到：
（1）将相变材料溶于有机溶剂中，加入融雪物质，混合均匀后再加入载体，进行物理吸附；物理吸附完成后，过滤取固体部分，烘干后研磨成粉状物；
（2）采用高分子材料对步骤（1）中所得粉状物进行胶囊化包覆，得到复合智能型融雪剂；
步骤（1）中，所述的物理吸附是指在10~40℃下静置2~3h。
2.根据权利要求1所述的相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂，其特征在于，步骤（1）中，所述的有机溶剂为丙酮、四氯化碳或乙醚。
3.根据权利要求1所述的相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂，其特征在于，步骤（1）中，相变材料、有机溶剂、融雪物质和载体的质量比为0.1~1：20~40：1：0.1~0.5。
4.根据权利要求1所述的相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂，其特征在于，步骤（1）中，研磨所得粉状物的粒径小于150目。
5.根据权利要求1所述的相变蓄能与温控析出复合智能型融雪剂，其特征在于，步骤（2）中，高分子材料和粉状物的质量比为1：20~25。
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