CN109021927A - 用于储热式电暖器的相变储热材料组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于储热式电暖器的相变储热材料组合物及其制备方法，以该相变储热材料组合物的总重量为100％计，其包括0.5‑10wt％的比热增强材料、0.05‑0.5wt％的分散剂，余量为相变储热材料。本发明还提供了上述用于储热式电暖器的相变储热材料组合物的制备方法及该用于储热式电暖器的相变储热材料组合物作为储热式电暖器储热介质的应用。本发明所提供的用于储热式电暖器的相变储热材料组合物是一种储热密度更大，储热能力更强的储热介质，在不增加储热介质质量的基础上可以提高储热式电暖器的储热能力。

Description

用于储热式电暖器的相变储热材料组合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于储热式电暖器的相变储热材料组合物及其制备方法，属于储热材料技术领域。
背景技术
储热式电暖器是一种电采暖设备，其利用夜间电网用电负荷低谷期储存能量，并在白天为室内供暖。一般储热式电暖器可以在电价低谷期的6-10小时内完成储热，并在全天24小时供暖，从而达到电网调峰，清洁供暖和节省采暖费用的目的。储热式电暖器工作原理为：利用耐高温的电热元件发热将电暖器内置的储热材料加热，并储存起来。在需要为房间供暖时再将热量依照一定的速率释放出来。
现有储热式电暖器可以在一定程度上实现使用低谷电为全天供暖的需求，但仍有如下缺点制约其应用。其储热能力受体积限制。市场上的储热式电暖器均为一体化设计，即储热单元与散热单元为一个整体。受室内空间以及美观要求的限制，电暖器的体积不能过大，因此储热式电暖器的储热量非常有限。功率较小的储热式电暖器甚至无法满足白天正常取暖的需求。
因此，提供一种具有更高储热量的相变储热材料以解决目前储热式电暖器所面临的难题已成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种相变储热材料组合物。
本发明的目的还在于提供上述相变储热材料组合物的制备方法。
本发明的目的还在于提供上述相变储热材料组合物作为储热式电暖器储热介质的应用。
为达到上述目的，本发明提供了一种相变储热材料组合物，以该相变储热材料组合物的总重量为100％计，其包括0.5-10wt％的比热增强材料、0.05-0.5wt％的分散剂，余量为相变储热材料。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述相变储热材料为高密度聚乙烯、赤藓糖醇、石蜡或熔融盐中的一种。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述高密度聚乙烯(HDPE)为直径1-5mm的聚乙烯颗粒，纯度>98％；该高密度聚乙烯为乳白色。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述赤藓糖醇为粒径不大于2mm的颗粒。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述石蜡的相变温度为80-200℃。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述熔融盐包括一元盐、二元盐及多元盐中的一种或几种的组合。其中，当所述相变储热材料为熔融盐时，本发明对熔融盐中一元盐、二元盐及多元盐之间的具体用量比例不作具体要求，本领域技术人员可以根据作业需要合理调整一元盐、二元盐及多元盐之间的用量比例，只要保证可以实现本发明目的即可。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述一元盐包括硝酸的碱金属盐及碱金属的卤化物。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述二元盐包括硝酸的碱土金属盐及碱土金属的卤化物。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述分散剂包括十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)及阿拉伯胶中的一种或几种的组合。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述比热增强材料为金属氧化物纳米颗粒，该纳米颗粒的粒径为10-100nm。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该相变储热材料组合物中，所述金属氧化物纳米颗粒包括MgO、Al2O3、SiO2、CuO、TiO2及ZnO纳米颗粒中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的相变储热材料组合物，其中，该相变储热材料组合物按以下步骤制备得到：
1)、将相变储热材料及比热增强材料按比例混合后进行研磨，混合均匀，得到混合物A；
2)、将步骤1)中得到的混合物A溶于去离子水中，搅拌均匀，得到水溶液B；
3)、调节步骤2)中所述水溶液B的pH至9-11，得到水溶液C；
4)、采用不同直径的研磨珠对步骤3)中得到的水溶液C进行分步湿磨，以得到均匀的浆体；
5)、向步骤4)中得到的均匀的浆体中按比例加入所述分散剂，搅拌均匀，得到经分散后的液体；
6)、在搅拌状态下，对步骤5)中得到的经分散后的液体进行加热蒸发至水分完全蒸干，得到所述相变储热材料组合物。
根据本发明所述的相变储热材料组合物，其中，步骤1)中所述研磨的转速为100-300rpm，研磨时间为5-15min。
根据本发明所述的相变储热材料组合物，其中，步骤2)中以该水溶液的总质量为100％计，混合物A的质量分数为1-10％。
根据本发明所述的相变储热材料组合物，其中，步骤2)中所述搅拌的转速为50-100rpm，搅拌时间为10-20min。
根据本发明所述的相变储热材料组合物，其中，步骤4)中所述分步湿磨按照以下步骤进行：
首先使用直径为1mm的研磨珠以1800-3000rpm的湿磨转速对所述水溶液C湿磨1-2h；
再换用直径为0.5mm的研磨珠以1800-3000rpm的湿磨转速进一步湿磨1-2h；
最后换用直径为0.1mm的研磨珠以1800-3000rpm的湿磨转速对水溶液C湿磨1-2h。
根据本发明所述的相变储热材料组合物，其中，步骤5)中所述搅拌的转速为20-50rpm，搅拌时间为10-30min。
根据本发明所述的相变储热材料组合物，其中，步骤6)中所述搅拌的转速为20-50rpm。
本发明还提供了上述相变储热材料组合物的制备方法，其包括以下步骤：
1)、将相变储热材料及比热增强材料按比例混合后进行研磨，混合均匀，得到混合物A；
2)、将步骤1)中得到的混合物A溶于去离子水中，搅拌均匀，得到水溶液B；
3)、调节步骤2)中所述水溶液B的pH至9-11，得到水溶液C；
4)、采用不同直径的研磨珠对步骤3)中得到的水溶液C进行分步湿磨，以得到均匀的浆体；
5)、向步骤4)中得到的均匀的浆体中按比例加入所述分散剂，搅拌均匀，得到经分散后的液体；
6)、在搅拌状态下，对步骤5)中得到的经分散后的液体进行加热蒸发至水分完全蒸干，得到所述相变储热材料组合物。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤1)中所述研磨的转速为100-300rpm，研磨时间为5-15min。其中，步骤1)中采用行星球磨机进行研磨，且该行星球磨机为本领域使用的常规设备，该行星球磨机的研磨器以及研磨球均采用碳化硅或氧化锆材质制造。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤2)中，以该水溶液的总质量为100％计，混合物A的质量分数为1-10％。其中，步骤2)中采用搅拌器进行搅拌，所用搅拌器为本领域使用的常规设备。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤2)中所述搅拌的转速为50-100rpm，搅拌时间为10-20min。
根据本发明所述的制备方法，在本发明具体实施方式中，步骤3)中采用1mol/L的HCl或NaOH进行pH调节。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤4)中所述分步湿磨按照以下步骤进行：
首先使用直径为1mm的研磨珠以1800-3000rpm的湿磨转速对所述水溶液C湿磨1-2h；
再换用直径为0.5mm的研磨珠以1800-3000rpm的湿磨转速进一步湿磨1-2h；
最后换用直径为0.1mm的研磨珠以1800-3000rpm的湿磨转速对水溶液C湿磨1-2h。其中，步骤4)中采用珠磨机进行研磨，且该珠磨机为本领域使用的常规设备，该珠磨机以及研磨珠均采用氧化锆或碳化硅制造。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤5)中所述搅拌的转速为20-50rpm，搅拌时间为10-30min。其中，步骤5)中采用搅拌器进行搅拌，所用搅拌器为本领域使用的常规设备。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤6)中所述搅拌的转速为20-50rpm。其中，步骤6)中采用搅拌器进行搅拌，所用搅拌器为本领域使用的常规设备。
本发明还提供了上述相变储热材料组合物作为储热式电暖器储热介质的应用。本发明提供的相变储热材料组合物可以作为太阳能、风能及“低谷电”储热式电暖器的储热介质。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
采用本申请所述的制备方法对相变储热材料与比热增强材料纳米颗粒进行混合，与常规方法相比，可以使比热增强材料纳米颗粒在相变储热材料组合物中分布更加均匀；此外，本申请所加入的纳米颗粒(比热增强材料)可以产生强烈的库伦力场，该库伦力场进而会影响周围相变储热材料的分子排布，使其形成一层致密的结构；在该结构中相变材料的势能阱加深，因此在储存热量时，系统在温度升高前可以以势能的形式吸收更多能量，从而提升系统的比热容，进而提高系统的单位体积储热能力，在不增加储热物质的质量的基础上提高储热式电暖器的储热能力(采用扫描式差热分析仪对相变储热材料组合物的比热进行分析以确定其储热能力)。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种相变储热材料组合物的制备方法，其包括以下步骤：
制作基于KNO3-LiNO3(质量比例为33.5:66.5)的相变储热材料。采用10％SiO2作为比热增强材料，0.5％SDBS作为分散剂。
1)在所述混合步骤中，比热增强材料以及相变储热材料按照前述比例混合均匀后置于行星球磨机内。
行星球磨机转速为300rpm。
研磨时间为15分钟。
所述行星球磨机的研磨器以及研磨球均采用碳化硅制造。
2)研磨完成后将混合均匀的相变储热材料与比热增强材料同时溶于去离子水中，使用搅拌器以100rpm的速度搅拌熔盐20分钟。
所述相变储热材料与比热增强材料的混合物在水溶液中所占的质量分数为10％。
3)在pH调节步骤中，使用1mol/L的HCl或NaOH进行调节。
通过pH调节，将上述去离子水溶液pH调节至10。
4)将经过pH调节后的水溶液加入珠磨机中。
首先使用直径为1mm的研磨珠对上述水溶液进行湿磨。
湿磨转速为1800rpm。
研磨时间为1小时。
随后换用直径为0.5mm的研磨珠进一步湿磨。
湿磨转速为1800rpm。
研磨时间为1小时。
随后换用直径为0.1mm的研磨珠进一步湿磨。
湿磨转速为1800rpm。
研磨时间为1小时。
珠磨机以及研磨珠均采用碳化硅制造。
5)将溶液导出珠磨机，并按前述比例加入分散剂。随后采用搅拌器以50rpm的速度搅拌30分钟。
6)分散步骤完成后将水溶液进行加热蒸发。蒸发过程中持续采用搅拌器以20rpm的速度进行搅拌，直到水分完全蒸干，样品混合均匀，得到所述相变储热材料组合物。
采用扫描式差热分析仪分别测量本实施例制备得到的添加SiO2纳米颗粒的相变储热材料组合物及未添加纳米颗粒SiO2得到的相变储热材料组合物(该组合物与本实施例制备得到的相变储热材料组合物的区别仅在于其没有添加纳米颗粒SiO2，其他组分及制备方法均与本实施例组合物相同)的比热平均值，分析结果表明：本实施例添加纳米颗粒SiO2得到的相变储热材料组合物的比热平均值为1.95kJ/kg/K，而未添加纳米颗粒SiO2得到的相变储热材料组合物的比热平均值为1.84kJ/kg/K。
实施例2
本实施例提供了一种相变储热材料组合物的制备方法，其包括以下步骤：
制作基于赤藓糖醇的相变储热材料。采用10％Al2O3作为比热增强材料，0.5％SDS作为分散剂。
1)在所述混合步骤中，比热增强材料以及相变储热材料按照前述比例混合均匀后置于行星球磨机内。
行星球磨机转速为100rpm。
研磨时间为5分钟。
所述行星球磨机的研磨器以及研磨球均采用碳化硅制造。
2)研磨完成后将混合均匀的相变储热材料与比热增强材料同时溶于去离子水中，使用搅拌器以50rpm的速度搅拌混合物10分钟。
所述相变储热材料与比热增强材料的混合物在水溶液中所占的质量分数为10％。
3)在pH调节步骤中，使用1mol/L的HCl或NaOH进行调节。
通过pH调节，将上述去离子水溶液pH调节至10。
4)将经过pH调节后的水溶液加入珠磨机中。
首先使用直径为1mm的研磨珠对上述水溶液进行湿磨。
湿磨转速为1800rpm。
研磨时间为1小时。
随后换用直径为0.5mm的研磨珠进一步湿磨。
湿磨转速为1800rpm。
研磨时间为1小时。
随后换用直径为0.1mm的研磨珠进一步湿磨。
湿磨转速为1800rpm。
研磨时间为1小时。
珠磨机以及研磨珠均采用碳化硅制造。
5)将溶液导出珠磨机，并按前述比例加入分散剂。随后采用搅拌器以20rpm的速度搅拌10分钟。
6)分散步骤完成后将水溶液进行加热蒸发。蒸发过程中持续采用搅拌器以20rpm的速度进行搅拌，直到水分完全蒸干，样品混合均匀，得到所述相变储热材料组合物。
采用扫描式差热分析仪分别测量本实施例制备得到的添加Al2O3的相变储热材料组合物及未添加纳米颗粒Al2O3得到的相变储热材料组合物(该组合物与本实施例制备得到的相变储热材料组合物的区别仅在于其没有添加纳米颗粒Al2O3，其他组分及制备方法均与本实施例组合物相同)的比热平均值，分析结果表明：本实施例添加纳米颗粒Al2O3得到的相变储热材料组合物的比热平均值为4.27kJ/kg/K，而未添加纳米颗粒Al2O3得到的相变储热材料组合物的比热平均值为3.95kJ/kg/K。
实施例3
本实施例提供了一种相变储热材料组合物的制备方法，其包括以下步骤：
制作基于高密度聚乙烯的相变储热材料。采用1％MgO作为比热增强材料，0.1％SDS作为分散剂。
1)在所述混合步骤中，比热增强材料以及相变储热材料按照前述比例混合均匀后置于行星球磨机内。
行星球磨机转速为100rpm。
研磨时间为5分钟。
所述行星球磨机的研磨器以及研磨球均采用碳化硅制造。
2)研磨完成后将混合均匀的相变储热材料与比热增强材料同时溶于去离子水中，使用搅拌器以50rpm的速度搅拌混合物10分钟。
所述相变储热材料与比热增强材料的混合物在水溶液中所占的质量分数为10％。
3)在pH调节步骤中，使用1mol/L的HCl或NaOH进行调节。
通过pH调节，将上述去离子水溶液pH调节至10。
4)将经过pH调节后的水溶液加入珠磨机中。
首先使用直径为1mm的研磨珠对上述水溶液进行湿磨。
湿磨转速为1800rpm。
研磨时间为1小时。
随后换用直径为0.5mm的研磨珠进一步湿磨。
湿磨转速为1800rpm。
研磨时间为1小时。
随后换用直径为0.1mm的研磨珠进一步湿磨。
湿磨转速为1800rpm。
研磨时间为1小时。
珠磨机以及研磨珠均采用碳化硅制造。
5)将溶液导出珠磨机，并按前述比例加入分散剂。随后采用搅拌器以20rpm的速度搅拌30分钟。
6)分散步骤完成后将水溶液进行加热蒸发。蒸发过程中持续采用搅拌器以20rpm的速度进行搅拌，直到水分完全蒸干，样品混合均匀，得到所述相变储热材料组合物。
采用扫描式差热分析仪分别测量本实施例制备得到的添加纳米颗粒MgO的相变储热材料组合物及未添加纳米颗粒MgO得到的相变储热材料组合物(该组合物与本实施例制备得到的相变储热材料组合物的区别仅在于其没有添加纳米颗粒MgO，其他组分及制备方法均与本实施例组合物相同)的比热平均值，分析结果表明：本实施例添加纳米颗粒MgO得到的相变储热材料组合物的比热平均值为2.45kJ/kg/K，而未添加纳米颗粒MgO得到的相变储热材料组合物的比热平均值为2.10kJ/kg/K。

Claims (10)

1.一种相变储热材料组合物，以该相变储热材料组合物的总重量为100％计，其包括0.5-10wt％的比热增强材料、0.05-0.5wt％的分散剂，余量为相变储热材料。
2.根据权利要求1所述的相变储热材料，其特征在于，所述相变储热材料为高密度聚乙烯、赤藓糖醇、石蜡或熔融盐中的一种；
优选地，所述高密度聚乙烯为直径1-5mm的聚乙烯颗粒，纯度>98％；
还优选地，所述赤藓糖醇为粒径不大于2mm的颗粒；
还优选地，所述石蜡的相变温度为80-200℃。
3.根据权利要求1所述的相变储热材料组合物，其特征在于，所述熔融盐包括一元盐、二元盐及多元盐中的一种或几种的组合；
优选地，所述一元盐包括硝酸的碱金属盐及碱金属的卤化物；
还优选地，所述二元盐包括硝酸的碱土金属盐及碱土金属的卤化物。
4.根据权利要求1所述的相变储热材料组合物，其特征在于，所述分散剂包括十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠及阿拉伯胶中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的相变储热材料组合物，其特征在于，所述比热增强材料为金属氧化物纳米颗粒，该纳米颗粒的粒径为10-100nm。
6.根据权利要求1所述的相变储热材料组合物，其特征在于，所述金属氧化物纳米颗粒包括MgO、Al2O3、SiO2、CuO、TiO2及ZnO纳米颗粒中的一种或几种的组合。
7.权利要求1-6任一项所述的相变储热材料组合物的制备方法，其包括以下步骤：
1)、将相变储热材料及比热增强材料按比例混合后进行研磨，混合均匀，得到混合物A；
2)、将步骤1)中得到的混合物A溶于去离子水中，搅拌均匀，得到水溶液B；
优选地，以该水溶液的总质量为100％计，混合物A的质量分数为1-10％；
还优选地，步骤2)中所述搅拌的转速为50-100rpm，搅拌时间为10-20min；
3)、调节步骤2)中所述水溶液B的pH至9-11，得到水溶液C；
4)、采用不同直径的研磨珠对步骤3)中得到的水溶液C进行分步湿磨，以得到均匀的浆体；
5)、向步骤4)中得到的均匀的浆体中按比例加入所述分散剂，搅拌均匀，得到经分散后的液体；
还优选地，步骤5)中所述搅拌的转速为20-50rpm，搅拌时间为10-30min；
6)、在搅拌状态下，对步骤5)中得到的经分散后的液体进行加热蒸发至水分完全蒸干，得到所述相变储热材料组合物；
还优选地，步骤6)中所述搅拌的转速为20-50rpm。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述研磨的转速为100-300rpm，研磨时间为5-15min。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述分步湿磨按照以下步骤进行：
首先使用直径为1mm的研磨珠以1800-3000rpm的湿磨转速对所述水溶液C湿磨1-2h；
再换用直径为0.5mm的研磨珠以1800-3000rpm的湿磨转速进一步湿磨1-2h；
最后换用直径为0.1mm的研磨珠以1800-3000rpm的湿磨转速对水溶液C湿磨1-2h。
10.权利要求1-6任一项所述的相变储热材料组合物作为储热式电暖器储热介质的应用。
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