CN109825254B - 一种聚乙二醇木粉复合相变储能材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物基相变储能材料技术领域，特别涉及一种聚乙二醇木粉复合相变储能材料及其制备方法和应用。聚乙二醇木粉复合相变储能材料由聚乙二醇和木粉组成。所述制备方法包括以下步骤：将聚乙二醇加热熔化，然后在搅拌下将木粉加入到熔化的聚乙二醇中，在加热下搅拌混合均匀，最后将样品进行真空吸附，即得到聚乙二醇木粉复合相变储能材料。本发明将木材工业中的废弃边角木料加工成超细木粉和木粉纤维，用于制备聚乙二醇相变储能材料，从而天然可再生植物资源引入相变储能材料体系，即达到了废物重新利用的目的，又减少了不可再生的石化和矿物资源在相变储能材料领域中的使用量。本发明所制备的相变材料具有焓变值高，热稳定性好等优点。

Description

一种聚乙二醇木粉复合相变储能材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物基相变储能材料技术领域，特别涉及一种聚乙二醇木粉复合相变储能材料及其制备方法和应用。

背景技术

相变储能材料(PCM，phase change material)指在发生物相转化过程中吸收或释放相变热，从而储存能量和调节控制环境温度的物质。根据相变形式一般分为固-固相变、固-液相变、液-气相变和固-气相变四种。根据相变材料的性能，其主要分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料三类。无机相变材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机相变主要包括石蜡、醋酸、聚乙二醇和其他有机物。聚乙二醇(PEG)相变焓较高，其相变焓为140～175J/g，热滞后效应低；分子量可调节，且不同分子量的PEG按一定比例混合后，可以对热性能参数进行调节，使晶区熔融温度与结晶温度产生移动，处在所需的相变温度范围内。所以可以选择不同聚合度的PEG作为不同应用条件下的储能材料。不同分子量的PEG的相变温度为45～70℃，因此是一种固-液相变储能材料，而此类相变储能材料，在相变过程中有液相的产生，必须使用专门的容器加以封装，这不但会增加传热介质与相变材料之间的热阻，降低传热效率，而且使生产成本大大提高。为克服固-液相变储能材料的缺陷，复合相变储能材料应运而生，且已成为储热材料领域的热点研究课题。其实质是将固-液相变材料通过与其他材料复合而定形，使其在相变前后均能维持原来的形状(固态)，所以也可以称为定形相变材料。但是复合相变材料也可能会带来相变潜热下降，相变焓降低，或在长期的相变过程中容易变性等缺点。

公开号为CN106674815A的中国发明专利公开了一种相变储能保温的木塑复合材料及其制造方法，虽然也使用了木粉和PEG作为原材料，但是其制备方法采用的是塑料加工的注塑成型法。其制备方法中木粉与PEG采用的是物理共混吸附，需要额外加入有机硅交联剂交联，然后采用聚乙二醇-异氰酸酯共聚树脂包覆，最后加PVC塑料粉末混炼定形得到相变材料，制备过程中为了定形除了木粉外，还加入了较大量的塑料、异氰酸酯和各类助剂，从而较大幅度的降低了PEG的相变焓，同时塑料的加入还会增加热阻。另外，其制备方法步骤繁多，多达五个步骤，且注塑加工温度较高，最高需加热至185℃的高温，能耗较大。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种聚乙二醇木粉复合相变储能材料的制备方法。本发明采用简单的低温化学交联定形法制备复合相变材料，原材料仅采用PEG和木粉，其中PEG作为相变材料和粘结剂，木粉作为增强相和载体，加热过程中，PEG中的羟基与木粉表面大量的羟基发生化学交联反应，无需外加交联剂，即可得到高强度的木基复合相变材料，即可有效解决聚乙二醇熔化后的液体泄漏问题，木粉与PEG相容性极好，可以保证该复合材料具有足够的力学强度。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的聚乙二醇木粉复合相变储能材料。

本发明的再一目的在于提供上述聚乙二醇木粉复合相变储能材料在热能储存领域中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种聚乙二醇木粉复合相变储能材料，其由聚乙二醇和木粉组成。

优选的，所述聚乙二醇木粉复合相变储能材料中木粉的质量含量为15～35％。

优选的，所述的聚乙二醇(PEG)平均分子质量为1000～15000，可以单独使用一种平均分子质量的PEG或者不同平均分子质量的PEG按任意比例混合使用。

优选的，所述的木粉取材自松木、杨木、柏木、杉木、柳木中的一种以上。

优选的，所述的木粉为超细木粉粉末和木粉纤维中的一种或两种，其平均粒径为10～16μm。

上述聚乙二醇木粉复合相变储能材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚乙二醇加热熔化，然后在搅拌下将木粉加入到熔化的聚乙二醇中，在加热下搅拌混合均匀，最后将样品进行真空吸附，即得到聚乙二醇木粉复合相变储能材料。

所述的聚乙二醇加热熔化温度为75～85℃，所述的加热搅拌温度为75～85℃。

所述搅拌速度为2000～3000r/min，搅拌时间持续30～60min。

所述的真空吸附为：将样品置于温度为75～85℃，压力为-85～-75KPa的真空烘箱中真空吸附，真空吸附时间持续22～24h。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

(1)本发明将木材工业中的废弃边角木料加工成超细木粉和木粉纤维，用于制备聚乙二醇相变储能材料，从而天然可再生植物资源引入相变储能材料体系，即达到了废物重新利用的目的，又减少了不可再生的石化和矿物资源在相变储能材料领域中的使用量。

(2)本发明将采用的原材料聚乙二醇具有极好的生物相容性和水溶性，而木粉具有极好的生物降解性能，因此所制备的聚乙二醇木粉复合相变储能材料是一种环境友好型材料。因此，当本发明的相变储能材料失效后，其中的木粉可以很好地生物降解，而聚乙二醇可以采用水溶的方法简单回收。

附图说明

图1为按照实施例1的制备方法四组平行实验制备的聚乙二醇木粉复合相变储能材料的外观图。

图2为实施例1的超细木粉扫描电镜图，其中放大倍数为：(a)250倍，(b)1000倍，(c)5000倍。

图3为实施例2的木粉纤维扫描电镜图，其中放大倍数为：(a)250倍，(b)1000倍，(c)5000倍。

图4为实施例1所制备的聚乙二醇木粉复合相变储能材料扫描电镜图，其中放大倍数为：(a)500倍，(b)5000倍。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。下列实施例中涉及的物料均可从商业渠道获得。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例1

将平均分子质量为15000的聚乙二醇加热至80℃熔化，然后在转速为3000r/min剧烈搅拌下将木粉加入到熔化的聚乙二醇中，在80℃加热下搅拌60min混合均匀，最后将样品置于温度为80℃、压力为-85KPa的真空烘箱中真空吸附24h，即得到聚乙二醇木粉复合相变储能材料。其中木粉为松木超细木粉，其平均粒径为16μm，在相变材料中的质量含量为35％。

实施例2

将平均分子质量为10000的聚乙二醇加热至85℃熔化，然后在转速为2000r/min剧烈搅拌下将木粉加入到熔化的聚乙二醇中，在85℃加热下搅拌30min混合均匀，最后将样品置于温度为85℃、压力为-85KPa的真空烘箱中真空吸附23h，即得到聚乙二醇木粉复合相变储能材料。其中木粉为松木木粉纤维，其平均粒径为10μm，在相变材料中的质量含量为30％。

实施例3

将平均分子质量为8000的聚乙二醇加热至80℃熔化，然后在转速为3000r/min剧烈搅拌下将木粉加入到熔化的聚乙二醇中，在85℃加热下搅拌45min混合均匀，最后将样品置于温度为85℃、压力为-85KPa的真空烘箱中真空吸附22h，即得到聚乙二醇木粉复合相变储能材料。其中木粉为杨木超细木粉，其平均粒径为15μm，在相变材料中的质量含量为25％。

实施例4

将平均分子质量为4000的聚乙二醇加热至75℃熔化，然后在转速为2500r/min剧烈搅拌下将木粉加入到熔化的聚乙二醇中，在85℃加热下搅拌45min混合均匀，最后将样品置于温度为85℃、压力为-75KPa的真空烘箱中真空吸附24h，即得到聚乙二醇木粉复合相变储能材料。其中木粉为杉木木粉纤维，其平均粒径为10μm，在相变材料中的质量含量为20％。

实施例5

将平均分子质量为1000的聚乙二醇加热至75℃熔化，然后在转速为2000r/min剧烈搅拌下将木粉加入到熔化的聚乙二醇中，在85℃加热下搅拌60min混合均匀，最后将样品置于温度为85℃、压力为-85KPa的真空烘箱中真空吸附22h，即得到聚乙二醇木粉复合相变储能材料。其中木粉为柏木超细木粉，其平均粒径为13μm，在相变材料中的质量含量为15％。

实施例6

将平均分子质量为12000的聚乙二醇加热至85℃熔化，然后在转速为3000r/min剧烈搅拌下将木粉加入到熔化的聚乙二醇中，在75℃加热下搅拌30min混合均匀，最后将样品置于温度为85℃、压力为-75KPa的真空烘箱中真空吸附24h，即得到聚乙二醇木粉复合相变储能材料。其中木粉为柳木木粉纤维，其平均粒径为12μm，在相变材料中的质量含量为30％。

聚乙二醇木粉复合相变储能材料性能测试实施例

测试实施例1～6所制备的聚乙二醇木粉复合相变储能材料的相关性能。

相变温度和相变焓(熔化和冷凝过程)采用德国Netzsch Q8000DSC分析仪进行测试。升温或降温速率：10℃/min；气氛：氮气。在测试之前，将样品从0℃加热至100℃并在100℃保持5min以消除热历史。测试过程为将所有样品从0℃加热至100℃并在100℃保持5min，随后冷却至0℃并在0℃保持5min，记录所有样品的DSC曲线。

热稳定性分析(热损失分析)，采用德国Netzsch TG 209F1Libra型热重分析仪进行测试。测试温度范围：30～650℃，升温速率：10℃/min；气氛：氮气。记录各实施例在不同温度下的质量损失比例。

表1各测试实施例产物热性能测试结果

对于聚乙二醇基相变材料而言，复合相变材料的焓变值越接近纯PEG的焓变值，其性能越好，本发明的复合相变材料，其焓变值大于120J/g，非常接近PEG的焓变值140～175J/g。热稳定性是复合相变材料的另一重要指标，本发明的复合相变材料在超过PEG熔点的100℃时的热失重小于2％，而在高温250℃时的热失重均小于4％，说明其具有极好的热稳定性，在使用过程中不会发生聚乙二醇熔化后的液体泄漏。在温度大于500℃后，其热失重非常明显，已经大于90％，此时的温度超过了木材和PEG本身的耐热温度，属于正常的热损失。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种聚乙二醇木粉复合相变储能材料，其特征在于，其由聚乙二醇和木粉组成；所述聚乙二醇木粉复合相变储能材料中单独使用一种平均分子质量的聚乙二醇或者不同平均分子质量的聚乙二醇按任意比例混合使用；所述的木粉为超细木粉粉末和木粉纤维中的一种或两种，其平均粒径为10～16μm；所述的聚乙二醇平均分子质量为1000～15000；所述聚乙二醇木粉复合相变储能材料中木粉的质量含量为15～35％；

所述聚乙二醇木粉复合相变储能材料通过以下步骤制得：将聚乙二醇加热熔化，然后在搅拌下将木粉加入到熔化的聚乙二醇中，在加热下搅拌混合均匀，最后将样品进行真空吸附，即得到聚乙二醇木粉复合相变储能材料；所述的聚乙二醇加热熔化温度为75～85℃，所述的加热搅拌温度为75～85℃；

所述的真空吸附：为将样品置于温度为75～85℃，压力为-85～-75KPa的真空烘箱中真空吸附，真空吸附时间持续22～24h。

2.根据权利要求1所述的一种聚乙二醇木粉复合相变储能材料，其特征在于，所述的木粉取材自松木、杨木、柏木、杉木、柳木中的一种以上。

3.根据权利要求1所述的聚乙二醇木粉复合相变储能材料，其特征在于，所述搅拌速度为2000～3000r/min，搅拌时间持续30～60min。

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