CN108300426A - 基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊及其制备方法 - Google Patents

基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊及其制备方法 Download PDF

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韩藏娟
顾华志
黄奥
白晨
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Abstract

本发明涉及一种基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊及其制备方法。其技术方案是，在水浴和搅拌条件下：按铝硅合金粉∶三氯化铝∶乙酸乙酯的质量比为1∶(0.01～0.05)∶(200～800)混合，得混合液；按铝硅合金粉∶乙醇的质量比为1∶(100～500)，向混合液中加入无水乙醇，再按铝硅合金粉∶乙酸的质量比为1∶(400～800)，加入乙酸。静置，过滤，洗涤，干燥；然后置于马弗炉中，在氧化气氛下升温至900～1300℃，保温2～8h，冷却至室温，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊。本发明具有成本低、工艺简单和易于工业化生产的特点。所制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊分散性好、热循环次数高、耐压强度大、使用温度高和热量利用率高。

Description

基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊及其制备方法
技术领域
本发明属于高温相变蓄热微胶囊技术领域。具体涉及提供一种基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊及其制备方法。
背景技术
蓄热技术是利用蓄热材料将暂时不需要的热量储存，等需要热量时，再将热量释放出来的一种储能技术。蓄热技术解决了热量供给与需求的时间差矛盾，提高了热量的利用率，因此可用于电力负荷的削峰填谷、太阳能的储备和工业余热的回收等，以达到发展新能源和节约旧能源的目的。
蓄热技术的核心问题是蓄热材料的制备和应用，其中相变蓄热材料因其储能高和相变温度可调而成为具有很好潜力的蓄热材料。但相变蓄热材料因在相变时易产生相变介质泄露、体积变化等问题，从而限制了相变蓄热材料的实际应用。将相变材料制备成相变蓄热微胶囊是解决上述问题的主要方法之一。相变蓄热微胶囊由相变材料为核、包覆材料为壳构成。由于相变蓄热微胶囊具有无腐蚀性、防介质泄漏、蓄热密度较大和相变时恒温等优点而成为近年来研究的热点。
相变材料按相变温度分类，其中相变温度在500℃以上的相变材料称为高温相变材料。铝及铝硅合金属于高温相变蓄热材料中的一种，具有导热性好、热稳定性较好、相变潜热大、导热系数大和蓄热密度高等优点。若将铝或铝硅合金作为相变蓄热微胶囊的核，则对包覆材料有如下要求：耐腐蚀性好，周期稳定性好，温度应力强度高，抗氧化性好。
近年来，一些学者对铝及铝硅合金作为相变蓄热材料开展了一些研究，公开了一些含有铝或铝硅合金的复合相变蓄热材料。如“一种高温复合相变蓄热材料及其制备方法”
(201310175016.1)专利技术，该技术采用白泥、高铝矾土和铝粉为原料，直接混合后压制成型，高温焙烧，制得一种高温复合相变蓄热材料；“一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷及其制备方法”(201310293700.X)专利技术，以铝硅合金粉、刚玉粉为原料，以氧化镁为烧结助剂，经干法球磨、成型和焙烧，制得一种具有相变蓄热功能的金属陶瓷。上述技术方法皆是将相变材料作为原料直接用于复合相变蓄热材料的制备中，利用相变材料在发生相变时的吸热和放热实现蓄热目的。但是这种直接混合成型的方法在焙烧过程中铝或铝硅合金粉熔化后极易泄露及溢出，而且液相的铝或者铝硅合金也会降低材料的高温物理性能。
也有一些学者对铝或铝硅合金相变蓄热微胶囊的制作进行了研究：“一种Al/Al2O3蓄热材料及其制备方法”(201010127955.5)专利技术，以铝粉为原料，用雾化后氧气气氛冷却法制备了Al2O3包裹Al粉的核壳式复合相变蓄热材料。此种核壳结构的复合相变蓄热材料对设备要求高、制备工艺复杂和难于控制，制备的壳层较薄，难以满足强度要求。
“一种高温相变蓄热微胶囊及其制备方法”(201710502031.0)专利技术，以铝硅合金粉为原料，用磷酸二氢铝溶液进行直接处理后形成相变蓄热微胶囊坯体，或将坯体焙烧后形成具有致密壳层的高温相变蓄热微胶囊。此种微胶囊的制备方法简单，但是制备的微胶囊之间有粘接，难以满足对分散性要求高的工业应用。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种成本低、工艺简单和易于工业化生产的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊的制备方法。用该方法制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊分散性好、热循环次数高、耐压强度大、使用温度高和热量利用率高。
为实现上述任务，本发明所采用的技术方案的步骤是：
步骤一、按铝硅合金粉∶三氯化铝∶乙酸乙酯的质量比为1∶(0.01～0.05)∶(200～800)，将所述铝硅合金粉和所述三氯化铝加入到所述乙酸乙酯中，在60～100℃的水浴条件下搅拌30～60min，即得混合液。
步骤二、在60～100℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙醇的质量比为1∶(100～500)，向所述混合液中加入所述无水乙醇，搅拌2～8h，即得悬浊液。
步骤三、在60～100℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙酸的质量比为1∶(400～800)，向所述悬浊液中加入所述乙酸；静置1～12h，过滤，将过滤后的物料用无水乙醇和去离子水交替洗涤至pH值为中性，干燥至恒重，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体。
步骤四、将所述基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体置于马弗炉中，在氧化气氛下，以3～10℃/min的速率升温至900～1300℃，保温2～8h，冷却至室温，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊。
所述铝硅合金粉的粒径为20～74μm，铝硅合金粉中的Si含量为0.1～44wt％。
所述三氯化铝的AlCl3含量≥99.2wt％，粒度为0.125～0.250mm。
所述乙酸的浓度≥98wt％。
所述乙酸乙酯为分析纯。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明将铝硅合金粉和三氯化铝加入到所述乙酸乙酯中，在水浴和搅拌条件下先后加入无水乙醇和乙酸，经洗涤、干燥和高温煅烧，即得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊，故成本低、制备工艺简单和容易实现工业大规模生产。
本发明采用的无水乙醇和铝硅合金粉在乙酸乙酯中，可以在三氯化铝的催化作用下发生反应生成乙醇铝。生成的乙醇铝为凝胶形态，在成核作用下，乙醇铝易包覆在铝硅合金表面，且不影响铝硅合金粉的优良的分散性。铝硅合金表面的乙醇铝又和乙酸发生酯化反应生成乙酸铝。乙酸铝在焙烧过程中会在316～477℃之间分解掉乙酸根形成无定形态氧化铝。无定形态氧化铝最终在900℃～1300℃条件下转变成氧化铝包裹在铝硅合金表面形成氧化铝壳层，因此制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊热循环次数高、耐压强度大，能作为制备高温相变蓄热复合材料块体的原料。
本发明制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊解决了铝硅合金作为相变蓄热材料在应用过程中熔化后易泄露的问题；能有效地为熔融状态的铝硅合金提供保护，能有效避免铝硅合金的流失和由此造成的腐蚀，使基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊的循环使用次数得到提高。
本发明制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊有效利用了铝硅合金的相变潜热，提高了热量的利用率和利用效率；所制制品的使用温度高，能满足太阳能电厂、工业炉窑高温热交换和高温工业废气的热量回收。
因此，本发明具有成本低、工艺简单和易于工业化生产的特点。所制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊分散性好、热循环次数高、耐压强度大、使用温度高和热量利用率高。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的物料统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述铝硅合金粉的粒径为20～74μm，铝硅合金粉中的Si含量为0.1～44wt％。
所述三氯化铝的AlCl3含量≥99.2wt％，粒度为0.125～0.250mm。
所述乙酸的浓度≥98wt％。
所述乙酸乙酯为分析纯。
实施例1
一种基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、按铝硅合金粉∶三氯化铝∶乙酸乙酯的质量比为1∶(0.01～0.03)∶(200～400)，将所述铝硅合金粉和所述三氯化铝加入到所述乙酸乙酯中，在60～80℃的水浴条件下搅拌30～40min，即得混合液。
步骤二、在60～80℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙醇的质量比为1∶(100～300)，向所述混合液中加入所述无水乙醇，搅拌2～4h，即得悬浊液。
步骤三、在60～80℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙酸的质量比为1∶(400～600)，向所述悬浊液中加入所述乙酸；静置1～5h，过滤，将过滤后的物料用无水乙醇和去离子水交替洗涤至pH值为中性，干燥至恒重，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体。
步骤四、将所述基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体置于马弗炉中，在氧化气氛下，以3～6℃/min的速率升温至900～1100℃，保温2～4h，冷却至室温，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊。
实施例2
一种基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、按铝硅合金粉∶三氯化铝∶乙酸乙酯的质量比为1∶(0.02～0.04)∶(400～600)，将所述铝硅合金粉和所述三氯化铝加入到所述乙酸乙酯中，在70～90℃的水浴条件下搅拌40～50min，即得混合液。
步骤二、在70～90℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙醇的质量比为1∶(200～400)，向所述混合液中加入所述无水乙醇，搅拌4～6h，即得悬浊液。
步骤三、在70～90℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙酸的质量比为1∶(500～700)，向所述悬浊液中加入所述乙酸；静置4.5～8.5h，过滤，将过滤后的物料用无水乙醇和去离子水交替洗涤至pH值为中性，干燥至恒重，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体。
步骤四、将所述基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体置于马弗炉中，在氧化气氛下，以5～8℃/min的速率升温至1000～1200℃，保温4～6h，冷却至室温，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊。
实施例3
一种基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、按铝硅合金粉∶三氯化铝∶乙酸乙酯的质量比为1∶(0.03～0.05)∶(600～800)，将所述铝硅合金粉和所述三氯化铝加入到所述乙酸乙酯中，在80～100℃的水浴条件下搅拌50～60min，即得混合液。
步骤二、在80～100℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙醇的质量比为1∶(300～500)，向所述混合液中加入所述无水乙醇，搅拌6～8h，即得悬浊液。
步骤三、在80～100℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙酸的质量比为1∶(600～800)，向所述悬浊液中加入所述乙酸；静置8～12h，过滤，将过滤后的物料用无水乙醇和去离子水交替洗涤至pH值为中性，干燥至恒重，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体。
步骤四、将所述基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体置于马弗炉中，在氧化气氛下，以7～10℃/min的速率升温至1100～1300℃，保温6～8h，冷却至室温，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式将铝硅合金粉和三氯化铝加入到所述乙酸乙酯中，在水浴和搅拌条件下先后加入无水乙醇和乙酸，经洗涤、干燥和高温煅烧，即得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊，故成本低、制备工艺简单和容易实现工业大规模生产。
本具体实施方式采用的无水乙醇和铝硅合金粉在乙酸乙酯中，可以在三氯化铝的催化作用下发生反应生成乙醇铝。生成的乙醇铝为凝胶形态，在成核作用下，乙醇铝易包覆在铝硅合金表面，且不影响铝硅合金粉的优良的分散性。铝硅合金表面的乙醇铝又和乙酸发生酯化反应生成乙酸铝。乙酸铝在焙烧过程中会在316～477℃之间分解掉乙酸根形成无定形态氧化铝。无定形态氧化铝最终在900℃～1300℃条件下转变成氧化铝包裹在铝硅合金表面形成氧化铝壳层，因此制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊热循环次数高、耐压强度大，能作为制备高温相变蓄热复合材料块体的原料。
本具体实施方式制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊解决了铝硅合金作为相变蓄热材料在应用过程中熔化后易泄露的问题；能有效地为熔融状态的铝硅合金提供保护，能有效避免铝硅合金的流失和由此造成的腐蚀，使基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊的循环使用次数得到提高。
本具体实施方式制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊有效利用了铝硅合金的相变潜热，提高了热量的利用率和利用效率；所制制品的使用温度高，能满足太阳能电厂、工业炉窑高温热交换和高温工业废气的热量回收。
因此，本具体实施方式具有成本低、工艺简单和易于工业化生产的特点。所制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊分散性好、热循环次数高、耐压强度大、使用温度高和热量利用率高。

Claims (6)

1.一种基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊的制备方法，其特征在于所述制备方法的步骤是：
步骤一、按铝硅合金粉∶三氯化铝∶乙酸乙酯的质量比为1∶(0.01～0.05)∶(200～800)，将所述铝硅合金粉和所述三氯化铝加入到所述乙酸乙酯中，在60～100℃的水浴条件下搅拌30～60min，即得混合液；
步骤二、在60～100℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙醇的质量比为1∶(100～500)，向所述混合液中加入所述无水乙醇，搅拌2～8h，即得悬浊液；
步骤三、在60～100℃水浴和搅拌条件下，按所述铝硅合金粉∶乙酸的质量比为1∶(400～800)，向所述悬浊液中加入所述乙酸；静置1～12h，过滤，将过滤后的物料用无水乙醇和去离子水交替洗涤至pH值为中性，干燥至恒重，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体；
步骤四、将所述基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊坯体置于马弗炉中，在氧化气氛下，以3～10℃/min的速率升温至900～1300℃，保温2～8h，冷却至室温，制得基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊。
2.根据权利要求1所述的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊的制备方法，其特征在于所述铝硅合金粉的粒径为20～74μm，铝硅合金粉中的Si含量为0.1～44wt％。
3.根据权利要求1所述的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊的制备方法，其特征在于所述三氯化铝的AlCl3含量≥99.2wt％，粒度为0.125～0.250mm。
4.根据权利要求1所述的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊的制备方法，其特征在于所述乙酸的浓度≥98wt％。
5.根据权利要求1所述的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊的制备方法，其特征在于所述乙酸乙酯为分析纯。
6.一种基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊，其特征在于所述基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊是根据权利要求1～5项中任一项所述的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊的制备方法所制备的基于铝硅合金的高温相变蓄热微胶囊。
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