CN110027208A - 一种相变复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变复合材料及其制备方法和应用,包括相变材料和包裹在相变材料外部的高分子材料,所述高分子材料和相变材料形成核壳结构的丝材。丝材内部的相变材料具有较小的过冷度,能够延长凝固时间,从而使相变材料具有更好的吸能性能,通过丝材封装相变材料,能够避免相变材料在相变后出现泄漏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及相变材料技术领域,尤其涉及一种相变复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
相变材料是随着温度变化发生物相转变的材料,在相变过程中吸收或释放潜热以保持温度不变,相变材料能恒温或近似恒温地与外界发生热量交换,从而达到控温的目的,广泛应用于电子器件的热管理、太阳能利用、建筑节能、工业余热存储回收等领域。但是相变材料熔化后呈液态,具有一定的流动性,容易发生泄露,是目前相变材料遇到的最大的问题之一。
目前来说,常见的解决相变材料泄漏的方法主要有四类:(1)通过化学改性,将有机相变材料接枝到其他材料的分子链上从而形成固固相变材料,但这类方法存在接枝率低,反应过程繁琐等缺点,无法满足大规模应用的需求。(2)定型相变材料,通过与多孔类材料,包括天然的膨胀珍珠岩、硅藻土、膨胀石墨、等孔材料以及通过化学方法合成的二氧化硅凝胶、三氧化二铝等混合浸渍制得,此类材料由于密度较大的无机材料的引入,使得最终制备的相变材料的包覆率以及焓值降低明显,不利于热能储存。(3)微胶囊相变材料,将相变材料作为芯材通过化学合成的方法包裹在壳材料之中,防止其在相变过程中流动泄漏,但此类相变材料往往伴随着过冷度的增大,同时复杂的合成过程对实验条件提出了更高的要求。(4)容器封装相变材料,将相变材料封装在容器中,虽然能够解决相变材料泄露的问题,但是由于容器的产生,会对含容器的部件的安装和结构强度造成影响。基于此,本发明提供一种新的解决方法,以避免相变材料的泄漏。
发明内容
本发明提供一种相变复合材料及其制备方法和应用,解决了相变材料高温相变后易泄漏的问题。
本发明一方面提供一种相变复合材料,包括相变材料和包裹在相变材料外部的高分子材料,所述高分子材料和相变材料形成核壳结构的丝材。
在一种可实施方式中,所述高分子材料选为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚氯乙烯、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯腈、聚乙醇酸、聚醚类多元醇、聚乙二醇、尼龙、橡胶中的一种或多种。
在一种可实施方式中,所述相变材料选为石蜡类材料、羧酸类材料、羧酸脂类材料、多元醇类材料、糖醇类材料、聚醚类材料的一种或多种。
在一种可实施方式中,所述石蜡类选为高级脂肪烃、高级脂肪醇、烷烃型石蜡的一种或多种;所述羧酸类材料选为硬脂酸;所述羧酸脂类材料选为硬脂酸丁酯;所述多元醇类材料选为新戊二醇;所述多元醇类材料选为甘露糖醇;所述聚醚类材料选为聚乙二醇。
在一种可实施方式中,所述相变材料优选为相变点为0~80℃、相变焓为100~300J/g的石蜡。
本发明另一方面提供一种相变复合材料的制备方法,包括:将相变材料放入同轴挤出设备的内筒,将高分子材料放入所述同轴挤出设备的外筒;加热所述内筒使相变材料熔融,加热所述外筒,使高分子材料熔融;通过同轴喷嘴挤出熔融的相变材料和高分子材料,得到相变复合材料。
在一种可实施方式中,所述同轴挤出设备选为具有同轴结构的熔融沉积3D打印设备。
在一种可实施方式中,所述在加热内筒使相变材料熔融之前,所述方法还包括:构建三维数据模型,将所述三维数据模型输入到所述具有同轴结构的熔融沉积3D打印设备中;在所述得到相变复合材料之后,所述方法还包括:所述3D打印设备利用所述三维数据模型,将所述相变复合材料堆叠形成制件。
本发明另一方面提供一种相变复合材料的应用,包括制件,所述制件根据上述可实施方式任一项所述的相变复合材料通过3D打印设备堆叠形成。
本发明提供的相变复合材料及其制备方法和应用,将相变复合材料制成外部为高分子材料内部为相变材料的丝材,通过高分子丝材封装相变材料,丝材内部的相变材料相较于微胶囊相变材料具有更小的过冷度,能够延长凝固时间,从而使相变材料具有更好的吸能性能,通过丝材封装相变材料,能够避免相变材料在相变后出现泄漏的问题。通过3D打印挤出核壳结构的丝材,方便操作,且无需模具就可以将相变材料制成所需的制件。
附图说明
图1示出了本发明实施例相变复合材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而非全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例一方面提供一种相变复合材料,包括相变材料和包裹在相变材料外部的高分子材料,高分子材料和相变材料形成核壳结构的丝材。
本发明实施例提供的相变复合材料包括相变材料和包裹在相变材料外部的高分子材料,两者成型后呈现丝材的状态。具体的,高分子材料呈管状,沿其长度方向形成有中空管腔,而相变材料填充在中空管腔之中,此结构可以通过同轴挤出设备实现。在同轴挤出设备的控制下,由高分子材料形成的外壳在除了两端之外的中部可以连续不断,使中空管腔同样连续不断,同样位于高分子材料内部管腔中的相变材料也是连续的。
如此设置,首先确保了高分子材料能够完全包裹相变材料,避免相变材料泄漏;其次,相变材料无需进行化学改性;同时,该方案无需引入无机材料,避免由于无机材料引入导致相变材料的焓值降低;同时,由于丝材内部的相变材料呈连续态,在相变材料发生相变转化时,与微胶囊相变材料比较,丝材内部的相变材料具有较小的过冷度,能够延长凝固时间,从而使相变材料具有更好的吸能性能。
3D打印设备打印成型的原理是通过喷丝堆叠成型,通过同轴3D打设备可以得到本发明实施例所提供的相变复合材料,并且能够进一步根据需要将相变复合材料进行堆叠从而制成所需要的制件。这种带相变材料的制件,相变材料在其制件内部位于连续的管状空腔内。相较于直接在普通制件的空腔内封装相变材料,本发明实施例所提供的结构对制件本体的结构强度造成的影响较小,且无需在制件上另外增设用于容纳相变材料的空腔。
其中,高分子材料可以是热固性树脂,也可以是热塑性树脂,本发明实施例对高分子材料的具体原料或组分不进行限定,只要能够在同轴打印设备中加热使其处于熔融状态,且在同轴打印设备将其喷出时能够发生固化即可。具体的,在本发明实施例中,高分子材料选为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚氯乙烯、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯腈、聚乙醇酸、聚醚类多元醇、聚乙二醇、尼龙、橡胶中的一种或多种。但不仅仅限于以上几种高分子材料,在一种实施例中,高分子材料可以选为聚乙烯;在另一种实施例中,高分子材料可以选为聚碳酸酯。
其中,相变材料可以选为水合盐相变材料,也可以选为蜡质相变材料。本发明实施例所提供的相变复合材料较为适用于蜡质相变材料。优选的,在本发明实施例中,相变材料选为石蜡类材料、羧酸类材料、羧酸脂类材料、多元醇类材料、糖醇类材料、聚醚类材料的一种或多种。但不仅仅限于以上几种相变材料。在一种实施例中,相变材料可以选为石蜡类材料;在另一种实施例中,相变材料可以选为羧酸脂类材料。
具体的,在本发明实施例中,石蜡类优选为高级脂肪烃、高级脂肪醇、烷烃型石蜡的一种或多种;羧酸类材料优选为硬脂酸;羧酸脂类材料优选为硬脂酸丁酯;多元醇类材料优选为新戊二醇;多元醇类材料优选为甘露糖醇;聚醚类材料优选为聚乙二醇。在本发明实施例中,相变材料进一步优选为相变点为0~80℃、相变焓为100~300J/g的石蜡。优选的,石蜡的相变点可以选为40~60℃。
本发明实施例不对相变材料的具体组分和含量进行限定,可以是上述实施例所提供的材料,也可以是非上述实施例所提供的材料。所述相变材料的具体组分可根据实际情况进行选择。
图1示出了本发明实施例相变复合材料的制备方法的流程示意图。
参见图1,本发明实施例另一方面提供一种相变复合材料的制备方法,包括:步骤101,将相变材料放入同轴挤出设备的内筒,将高分子材料放入同轴挤出设备的外筒;步骤102,加热内筒使相变材料熔融,加热外筒,使高分子材料熔融;步骤103,通过同轴喷嘴挤出熔融的相变材料和高分子材料,得到相变复合材料。
为了实现将高分子材料包裹在相变材料外周,并形成丝材的目的。本发明实施例采用同轴挤出设备进行相变复合材料的制备。本发明实施例将高分子材料置于同轴挤出设备的外筒中,将相变材料置于同轴挤出设备的内筒中,对同轴挤出设备的内筒和外筒进行加热,使位于外筒高分子和位于内筒相变材料熔融,在挤压活塞的作用下通过同轴喷嘴同时挤出得到外层为高分子、内层为相变材料的核-壳结构的丝材。相变材料包裹在高分子中,解决了相变材料高温相变后易泄露的问题。且壳层的高分子在打印过程中由熔融态冷却凝固过程中相互搭接,得到的相变复合材料部件强度高。具体的,同轴挤出设备可以选为同轴3D打印设备。
丝材在3D打印的计算机三维模型控制下逐层堆积,能够通过调整模型得到形状不一的制件。通过3D打印以制备形状复杂的产品,成型过程中无需任何模具,成型体几何形状及尺寸可通过计算机软件处理系统随时改变,可以根据实际应用进行灵活设计,适用性广泛。
具体的,在本发明实施例中,同轴挤出设备选为具有同轴结构的熔融沉积3D打印设备。熔融沉积成型是一种3D打印技术,是将热熔性材料加热熔化后,通过打印头将其挤压出来,经过层层堆叠而成为一个三维物体,配合同轴打印的同轴喷嘴,挤出得到外层为高分子、内层为相变材料的核-壳结构的丝材,并进行堆叠,从而制成制件。
在本发明实施例中,在加热内筒使相变材料熔融之前,方法还包括:构建三维数据模型,将三维数据模型输入到具有同轴结构的熔融沉积3D打印设备中;在得到相变复合材料之后,方法还包括:3D打印设备利用三维数据模型,将相变复合材料堆叠形成制件。
进一步的,根据3D打印的需要,在打印丝材之前,需要构建所需要的三维数据模型,然后将三维数据模型输入到具有同轴结构的熔融沉积3D打印设备中,使3D打印设备能够根据需要进行打印,从而得到所需要的制件。
本发明另一方面提供一种相变复合材料的应用,包括制件,制件根据上述可实施方式任一项的相变复合材料通过3D打印设备堆叠形成。
基于3D打印,本发明实施例可以将由高分子材料和相变材料形成核壳结构的丝材打印成适用不同领域的不同形状的制件。进一步的,基于相变材料的应用,本发明实施例所提供的相变复合材料可应用于多种需要进行热量传递的领域,如各类储能系统、节能系统、换热系统。
为了便于理解,以下提供含具体参数的实施例对本发明实施例提供的一种相变复合材料的制备方法进行描述。
一种相变复合材料的制备方法,包括如下步骤:
首先,根据实际应用需求,计算机中构建三维数据模型,将三维数据模型转为STL格式输入到具有同轴结构的熔融沉积3D打印设备中,并设置打印参数。此处的三维数据模型可以是任意形状、任意大小、任意目的制件,如:储能器、制冷器等。进一步的,打印参数需要根据制件以及所选用的相变材料和高分子材料的选材进行调整。
然后,将高分子材料置于同轴结构的熔融沉积3D打印设备的外筒中,将相变材料置于同轴结构的熔融沉积3D打印设备的内筒中,对同轴结构的熔融沉积3D打印设备进行加热使外筒高分子材料和内筒相变材料熔融。
最后,启动打印,在打印设备的挤压活塞作用下,通过同轴喷嘴同时挤出得到外层为高分子、内层为相变材料的核-壳结构的丝材;丝材根据三维数据模型在计算机控制下逐层堆积,形成与三维数据模型对应的制件。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种相变复合材料,其特征在于,包括相变材料和包裹在相变材料外部的高分子材料,所述高分子材料和相变材料形成核壳结构的丝材。
2.根据权利要求1所述的材料,其特征在于,所述高分子材料选为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚氯乙烯、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯腈、聚乙醇酸、聚醚类多元醇、聚乙二醇、尼龙、橡胶中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的材料,其特征在于,所述相变材料选为石蜡类材料、羧酸类材料、羧酸脂类材料、多元醇类材料、糖醇类材料、聚醚类材料的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的材料,其特征在于,所述石蜡类选为高级脂肪烃、高级脂肪醇、烷烃型石蜡的一种或多种;所述羧酸类材料选为硬脂酸;所述羧酸脂类材料选为硬脂酸丁酯;所述多元醇类材料选为新戊二醇;所述多元醇类材料选为甘露糖醇;所述聚醚类材料选为聚乙二醇。
5.根据权利要求1所述的材料,其特征在于,所述相变材料优选为相变点为0~80℃、相变焓为100~300J/g的石蜡。
6.一种相变复合材料的制备方法,其特征在于,包括:
将相变材料放入同轴挤出设备的内筒,将高分子材料放入所述同轴挤出设备的外筒;
加热所述内筒使相变材料熔融,加热所述外筒,使高分子材料熔融;
通过同轴喷嘴挤出熔融的相变材料和高分子材料,得到相变复合材料。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述同轴挤出设备选为具有同轴结构的熔融沉积3D打印设备。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述在加热内筒使相变材料熔融之前,所述方法还包括:构建三维数据模型,将所述三维数据模型输入到所述具有同轴结构的熔融沉积3D打印设备中;
在所述得到相变复合材料之后,所述方法还包括:所述3D打印设备利用所述三维数据模型,将所述相变复合材料堆叠形成制件。
9.一种相变复合材料的应用,其特征在于,包括制件,所述制件根据权利要求1-5任一项所述的相变复合材料通过3D打印设备堆叠形成。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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