CN108179006A - 一种相变储能隔热材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于相变储能材料技术领域，具体涉及一种相变储能隔热材料，并进一步公开其制备方法与应用。本发明所述的相变储能隔热材料，在基体树脂基础上添加所述气凝胶隔热材料和相变储能微胶囊材料为填料进行处理，制得的相变隔热储热材料具有较好的隔热和储能性能，并且利用相变材料的性能，使得所述隔热储热材料能够将电子元器件高速运行产生的热量隔绝并储存起来，使其更适用于微电子元器件和电子设备领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于相变储能材料技术领域，具体涉及一种相变储能隔热材料，并进一步公开其制备方法与应用。
背景技术
近年来全球范围内大力提倡绿色能源，新能源汽车的发展受到各国政府大力支持，动力电池的发展也异常火爆。动力电池是指为交通运输工具提供动力的电池，一般是相对于为便携式电子设备提供能量的小型电池而言。根据电池反应原理的不同可分为铅酸动力电池、镍氢动力电池、锂离子动力电池等等。
动力电池系统具有高能量(EV)、高功率(HEV)、高能量密度、高倍率部分荷电状态下(HRPSOC)的循环使用(HEV)、工作温度范围宽(30-65℃)、使用寿命长(5-10年)、以及安全可靠的优势。
动力电池系统主要应用于：汽车和摩托车行业，为发动机的起动点火和车载电子设备的使用提供电能；工业电力系统，用于输变电站并为动力机组提供合闸电流，为公共设施提供备用电源以及通讯用电源；以及电动汽车和电动自行车行业，用以取代汽油和柴油，作为电动汽车或电动自行车的行驶动力电源。
当前常用的动力电池系统是由众多电池成组而成，但由于目前电池的技术局限，动力电池的使用受温度影响因素造成性能下降的因素较为明显，如：低温情况下电池充放电容量发挥大大降低；高温加速电解液挥发、极片的老化而减少了电池的使用寿命；在过量充电、内部短路等失效状态下，电池的温度会升高并发生热失控。由于众多电池是紧邻排列组成，热量极易扩散，从而引起其他电池发生热失控，这样的连锁反应将极大的增大电池系统的失效风险。因此，如何选择动力电池的热管理方式以提高电池的性能是动力电池的关键问题。
目前电池的热管理方式根据应用领域的不同，选择方式也各有不同，现有动力电池组多通过在电池间设置间隔热防护组件，以有效阻隔热失控电池的热扩散影响。但是，单纯的依靠隔热防护组件的隔热性能并不能完全解决电池组的热量管理问题。
相变材料(PCM-Phase Change Material)又称相变储能材料，是指能被利用其在物态变化时所吸收(放出)的大量热能用于能量储存的材料，是一种能随温度变化而改变物理性质并能提供潜热的物质，其转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料能够吸收或释放大量的潜热，是一种非常好的绿色节能环保性能载体。相变材料在相变过程中利用太阳能或环境废余能量储能并调节温度，可以长期多次重复使用，在节能储能、建筑材料、纺织、航空航天以及军事等领域具有重要的应用前景。在动力电池的热量管理中冶发挥着重要的作用。
相变控温是指利用相变材料的相变过程来储存或释放热量，从而实现物体温度的控制过程。相变材料按相变形式主要可以分为固-固相变和固-液相变，其中固-液相变材料具有储能密度大，储能过程近似恒温、体积变化小、过程易控制等优点，是目前应用最广泛的相变材料。将相变控温和导热材料应用到微电子元器件及设备中，利用相变材料的固-液相变潜能来解决动力电池热量管理的技术，具有储能密度大，储-放热过程近似等温等优势，可以延长电子器件和设备的使用时间、满足电子器件更高、更快的运行速度；且整个控温过程方便易控制，得到广泛研究和应用。
由于固-液相变材料在熔融后相变为液相，具有一定的流动性，并且易与周围物质发生掺混，在实际应用中受到限制，一般使用时需要加以稳定才能在各种场合中使用。因此，储热技术研究的关键除了如何获得高性能的相变储热材料外，还需要改善其应用稳定性能。近年来，诸多相变储热复合材料相继研究并被报道，并朝着获得更高导热性能复合材料的方向发展。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种相变储能隔热材料，并进一步公开其制备方法与用途。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种相变储能微胶囊用于制备相变储能隔热材料的应用，所述相变储能微胶囊是以相变材料为芯材，以有机高分子材料为胶囊壁的核壳结构。
本发明还公开了一种相变储能隔热材料，所述材料包括基体树脂，以及填料；所述填料包括气凝胶隔热材料和相变储能微胶囊；
所述相变储能微胶囊是以相变材料为芯材，以有机高分子材料为胶囊壁的核壳结构。
优选的，所述气凝胶和相变储能微胶囊的质量比为1：10-10：1；
所述填料与所述基体树脂的质量比为1：10-10：1。
更优的，所述基体树脂选自聚氨酯、有机硅、环氧树脂、橡胶、硅胶中的至少一种；
所述气凝胶选自硅系、碳系、硫系、金属氧化物系以及金属系气凝胶中的至少一种；
所述相变材料为石蜡。
所述石蜡为固相石蜡和液相石蜡的混合物，其相转变温度为20-50℃。
所述胶囊壁是以甲苯-2,4-二异氰酸酯和乙二胺为聚合单体，在水作为聚合介质存在下，与辛基酚聚氧乙烯醚为乳化剂经界面聚合制得的脲醛材料。
本发明还公开了一种制备所述相变储能隔热材料的方法，包括将选定量的所述气凝胶和所述相变储能微胶囊分散于所述基体树脂中的步骤，即得所需的相变储能隔热材料。
所述的制备所述相变储能隔热材料的方法，还包括制备所述相变储能微胶囊的步骤，具体包括：取所述相变材料加热至熔融态，加入至所述聚合介质中混匀，并加入所述乳化剂，高速搅拌将所述相变材料分散成细小乳液滴；随后调节体系温度至70-80℃，并加入所述聚合单体进行界面聚合包覆，得到所述相变储能微胶囊。
所述相变材料、聚合单体、乳化剂和聚合介质的质量比为2：1-1.5：0.15-3：10，并优选2：1.15：5：10。
本发明还公开了所述的相变储能隔热材料用于制备动力电池系统用隔热缓冲组件的用途，所述隔热缓冲组件包括隔热缓冲垫片、隔热缓冲膜、隔热缓冲棉片。
本发明还公开了一种动力电池系统用隔热缓冲组件，即由所述的相变储能隔热材料制得。
所述的动力电池系统用隔热缓冲组件，包括隔热缓冲垫片、隔热缓冲膜、隔热缓冲棉片。
本发明还公开了一种制备所述动力电池系统用隔热缓冲组件的方法，包括取所述相变储能隔热材料辊涂或挤出于离型膜上，于常温或加热固化的步骤，即得。
本发明所述的相变储能隔热材料，在基体树脂基础上添加所述气凝胶隔热材料和相变储能微胶囊材料为填料进行处理，制得的相变隔热储热材料具有较好的隔热和储能性能，并且利用相变材料的性能，使得所述隔热储热材料能够将电子元器件高速运行产生的热量隔绝并储存起来，使其更适用于微电子元器件和电子设备领域的应用。
更优的，本发明所述相变储能隔热材料，将所述相变材料以微胶囊的结构进行添加，所述微胶囊以相变材料为内核芯材，经界面聚合包覆制得，所述相变微胶囊材料在相变过程中，作为内核的相变材料发生固-液相转变，其外层的有机材料膜始终保持为固态，因此，所得相变微胶囊材料在宏观上将一直为固态微粒，与传统相变材料相比，提高了稳定性，强化了传热性能，更适用于利用相变进行散热之用。
具体实施方式
实施例1相变微胶囊
取液体石蜡10g固体石蜡10g加热至熔融态，并加入至100g水中分散混匀，随后加入30g辛基酚聚氧乙烯醚乳化剂进行乳化，高速(2000r/min)搅拌将所述石蜡分散成细小乳液滴；随后调节体系温度至70-80℃，并加入1.5g甲苯-2,4-二异氰酸酯和10g乙二胺，进行界面聚合包覆，得到所述相变微胶囊。
经检测，所得微胶囊粒径为3-4微米，所得微胶囊的储能值为180-200J/g。
实施例2相变微胶囊
取液体石蜡5g固体石蜡15g加热至熔融态，并加入至100g水中分散混匀，并加入1.5g辛基酚聚氧乙烯醚乳化剂进行乳化，高速搅拌将所述石蜡分散成细小乳液滴；随后调节体系温度至70-80℃，并加入1.5g甲苯-2,4-二异氰酸酯和10g乙二胺，进行界面聚合包覆，得到所述相变微胶囊。
经检测，所得微胶囊粒径为3-4微米，所得微胶囊的储能值为180-200J/g。
实施例3相变微胶囊
取液体石蜡10g固体石蜡10g加热至熔融态，并加入至100g水中分散混匀，并加入5g辛基酚聚氧乙烯醚乳化剂进行乳化，高速搅拌将所述石蜡分散成细小乳液滴；随后调节体系温度至70-80℃，并加入1g甲苯-2,4-二异氰酸酯和9g乙二胺，进行界面聚合包覆，得到所述相变微胶囊。
经检测，所得微胶囊粒径为3-4微米，所得微胶囊的储能值为180-200J/g。
实施例4相变微胶囊
取液体石蜡5g固体石蜡15g加热至熔融态，并加入至100g水中分散混匀，并加入10g辛基酚聚氧乙烯醚乳化剂进行乳化，高速搅拌将所述石蜡分散成细小乳液滴；随后调节体系温度至70-80℃，并加入3g甲苯-2,4-二异氰酸酯和12g乙二胺，进行界面聚合包覆，得到所述相变微胶囊。
经检测，所得微胶囊粒径为3-4微米，所得微胶囊的储能值为180-200J/g。
实施例5相变储能隔热缓冲材料
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料，包括基体树脂，以及由气凝胶隔热材料和实施例1制备的相变储能微胶囊组成的填料，具体包括：100g聚氨酯凝胶、50g硅气凝胶隔热材料(二氧化硅)和50g相变储能微胶囊。
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料的制备方法，包括如下步骤：取所述气凝胶隔热材料和相变储能微胶囊均匀分散于所述基体树脂中，即得。
实施例6相变储能隔热缓冲材料
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料，包括基体树脂，以及由气凝胶隔热材料和实施例2制备的相变储能微胶囊组成的填料，具体包括：100g有机硅凝胶、50g硅气凝胶隔热材料(二氧化硅)和50g相变储能微胶囊。
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料的制备方法，包括如下步骤：取所述气凝胶隔热材料和相变储能微胶囊均匀分散于所述基体树脂中，即得。
实施例7相变储能隔热缓冲材料
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料，包括基体树脂，以及由气凝胶隔热材料和实施例3制备的相变储能微胶囊组成的填料，具体包括：100g有机硅凝胶、25g硅气凝胶隔热材料(二氧化硅)、25g相变储能微胶囊组成。
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料的制备方法，包括如下步骤：取所述气凝胶隔热材料和相变储能微胶囊均匀分散于所述基体树脂中，即得。
实施例8相变储能隔热缓冲材料
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料，包括基体树脂，以及由气凝胶隔热材料和实施例4制备的相变储能微胶囊组成的填料，具体包括：100g有机硅凝胶、75g硅气凝胶隔热材料(二氧化硅)、75g相变储能微胶囊。
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料的制备方法，包括如下步骤：取所述气凝胶隔热材料和相变储能微胶囊均匀分散于所述基体树脂中，即得。
实施例9相变储能隔热缓冲材料
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料，包括基体树脂，以及由气凝胶隔热材料和实施例1制备的相变储能微胶囊组成的填料，具体包括：110g环氧树脂、10g硫系气凝胶隔热材料(硫化镉)、100g相变储能微胶囊。
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料的制备方法同实施例5。
实施例10相变储能隔热缓冲材料
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料，包括基体树脂，以及由气凝胶隔热材料和实施例2制备的相变储能微胶囊组成的填料，具体包括：110g橡胶、100g碳系气凝胶隔热材料(炭)、10g相变储能微胶囊。
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料的制备方法同实施例5。
实施例11相变储能隔热缓冲材料
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料，包括基体树脂，以及由气凝胶隔热材料和实施例3制备的相变储能微胶囊组成的填料，具体包括：500g聚氨酯、25g金属氧化物系气凝胶隔热材料(氧化铝)、25g相变储能微胶囊。
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料的制备方法同实施例5。
实施例12相变储能隔热缓冲材料
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料，包括基体树脂，以及由气凝胶隔热材料和实施例4制备的相变储能微胶囊组成的填料，具体包括：50g硅胶、250g金属系气凝胶隔热材料、250g相变储能微胶囊。
本实施例所述相变储能隔热缓冲材料的制备方法同实施例5。
实施例13储能隔热缓冲垫
本实施例所述动力电池用隔热缓冲垫由实施例5所述相变储能隔热缓冲材料制得，即取实施例5中制得的相变储能隔热缓冲材料，倒入辊涂机或挤出机，辊涂或挤出于离型膜上，并于常温加压或50-80℃热压固定，即得。
本实施例所得到的隔热储热垫产品进行性能检测，其导热率为0.05，储能量为40J/g。
实施例14储能隔热缓冲垫
本实施例所述动力电池用隔热缓冲垫由实施例6所述相变储能隔热缓冲材料制得，即取实施例6中制得的相变储能隔热缓冲材料，倒入辊涂机或挤出机，辊涂或挤出于离型膜上，并于常温加压或50-80℃热压固定，即得。
本实施例所得到的隔热储热垫产品进行性能检测，其导热率为0.05，储能量为40J/g。
实施例15储能隔热缓冲垫
本实施例所述动力电池用隔热缓冲垫由实施例7所述相变储能隔热缓冲材料制得，即取实施例7中制得的相变储能隔热缓冲材料，倒入辊涂机或挤出机，辊涂或挤出于离型膜上，并于常温加压或50-80℃热压固定，即得。
本实施例所得到的隔热储热垫产品进行性能检测，其导热率为0.07，储能量为22J/g。
实施例16储能隔热缓冲垫
本实施例所述动力电池用隔热缓冲垫由实施例8所述相变储能隔热缓冲材料制得，即取实施例8中制得的相变储能隔热缓冲材料，倒入辊涂机或挤出机，辊涂或挤出于离型膜上，并于常温加压或50-80℃热压固定，即得。
本实施例所得到的隔热储热垫产品进行性能检测，其导热率为0.04，储能量为50J/g。
实施例17隔热缓冲膜
本实施例所述动力电池用隔热缓冲膜由实施例8所述相变储能隔热缓冲材料制得，即取实施例8中制得的相变储能隔热缓冲材料，倒入辊涂机，辊涂于离型膜上，并于常温放置至少1天或50-80℃加热1-5小时，即得。本实施例所得到的储能隔热缓冲膜产品进行性能检测，其导热率为0.04W/(m·K)，储能量为50J/g。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种相变储能微胶囊用于制备相变储能隔热材料的应用，其特征在于，所述相变储能微胶囊是以相变材料为芯材，以有机高分子材料为胶囊壁的核壳结构。
2.一种相变储能隔热材料，其特征在于，所述材料包括基体树脂，以及填料；所述填料包括气凝胶隔热材料和相变储能微胶囊；
所述相变储能微胶囊是以相变材料为芯材，以有机高分子材料为胶囊壁的核壳结构。
3.根据权利要求2所述的相变储能隔热材料，其特征在于：
所述气凝胶和相变储能微胶囊的质量比为1：10-10：1；
所述填料与所述基体树脂的质量比为1：10-10：1。
4.根据权利要求2或3所述的相变储能隔热材料，其特征在于，
所述基体树脂选自聚氨酯、有机硅、环氧树脂、橡胶、硅胶中的至少一种；
所述气凝胶选自硅系、碳系、硫系、金属氧化物系以及金属系气凝胶中的至少一种；
所述相变材料为石蜡。
5.根据权利要求2-4任一项所述的相变储能隔热材料，其特征在于，所述胶囊壁是以甲苯-2,4-二异氰酸酯和乙二胺为聚合单体，在水作为聚合介质存在下，与辛基酚聚氧乙烯醚为乳化剂经界面聚合制得的脲醛材料。
6.一种制备权利要求2-5任一项所述相变储能隔热材料的方法，其特征在于，包括将选定量的所述气凝胶和所述相变储能微胶囊分散于所述基体树脂中的步骤，即得所需的相变储能隔热材料。
7.根据权利要求6所述的制备所述相变储能隔热材料的方法，其特征在于，还包括制备所述相变储能微胶囊的步骤，具体包括：取所述相变材料加热至熔融态，加入至所述聚合介质中混匀，并加入所述乳化剂，高速搅拌将所述相变材料分散成细小乳液滴；随后调节体系温度至70-80℃，并加入所述聚合单体进行界面聚合包覆，得到所述相变储能微胶囊。
8.权利要求2-5任一项所述的相变储能隔热材料用于制备动力电池系统用隔热缓冲组件的用途，所述隔热缓冲组件包括隔热缓冲垫片、隔热缓冲膜、隔热缓冲棉片。
9.一种动力电池系统用隔热缓冲组件，其特征在于，由权利要求2-5任一项所述的相变储能隔热材料制得。
10.一种制备权利要求9所述动力电池系统用隔热缓冲组件的方法，其特征在于，包括取所述相变储能隔热材料辊涂或挤出于离型膜上，于常温或加热固化的步骤，即得。
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