CN111004018A - 一种高温相变储热材料、储热砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温相变储热材料、储热砖及其制备方法。所述高温相变储热材料，包括基体材料、相变材料、粘合剂和烧结助剂，所述基体材料中包含电熔氧化镁。本发明提供的高温相变储热材料，包含有电熔氧化镁，电熔氧化镁具有较高的表面活性和较低的热膨胀系数，可以降低烧结过程中颗粒的表面张力，使原料颗粒在烧结过程中能够充分接触与融合，颗粒间的粘结性更好，有助烧结，在制备储热砖，尤其制备大尺寸储热砖时不会出现严重开裂、变形或强度不足的现象。

Description

一种高温相变储热材料、储热砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及储能材料领域，具体涉及一种高温相变储热材料、储热砖及其制备方法。
背景技术
目前，在许多能源利用系统中存在着能量供应和需求不匹配的矛盾，造成能量利用不合理和大量浪费，提高能源转换和利用效率是世界各国实施可持续发展战略必须优先考虑的重大课题。储能材料作为一种能源转换与存储的材料，可有效提高能源的利用效率，而相变储热材料可广泛应用于建筑节能、太阳能热利用、民用采暖等领域，是储能材料的主要研究方向之一。无机盐相变储热材料具有使用温度范围广、价格低廉的优点，是应用最广泛的相变储热材料。单一的无机相变储热材料相变温度较高，烧结时需要较高的烧结温度，但烧结温度较高时，制成的储热砖容易出现裂纹和形变，为了降低储热砖的烧结温度，现有技术中常常采用二元共晶的方式降低相变材料的相变温度，从而降低相变储热材料的烧结温度，进而防止储热砖出现裂纹和形变，但烧结温度低会导致储热砖的致密度和强度降低，因此提供一种不会影响储热砖致密度和强度且烧结时不会出现裂纹和形变的新的储热材料显得尤为重要。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的储热材料在烧结时容易出现裂纹和形变的缺陷，从而提供一种高温相变储热材料。
本发明还提供一种储热砖。
本发明还提供一种储热砖的制备方法。
为此,本发明提供一种高温相变储热材料，包括基体材料、相变材料、粘合剂和烧结助剂，所述基体材料中包含电熔氧化镁。
进一步地，所述基体材料、相变材料、粘合剂和烧结助剂的质量比为(32-59)：(40-56)：(0.5-6)：(0.5-6)。
进一步地，所述电熔氧化镁的粒径为40-80μm。
进一步地，所述相变材料为碳酸钠。
进一步地，所述粘合剂为硅酸钠、聚乙烯醇和纸浆废液中的一种或几种。
进一步地，所述烧结助剂为氧化铋、氧化铅和碳酸钡中的一种或几种。
本发明还提供一种所述的高温相变储热材料制备的储热砖。
本发明还提供一种储热砖的制备方法，包括以下步骤：
S1，将基体材料、相变材料进行混合，形成第一混合料；
S2，将所述第一混合料与粘合剂和烧结助剂进行混合，形成第二混合料；以及
S3，对所述第二混合料进行捏合、过筛和压制成型得到成型料，将所述成型料陈化处理后，再经烧结得到所述储热砖。
进一步地，S3中所述捏合为以第二混合料质量计，加入8％-16％的水进行搅拌捏合10-30min；所述过筛为将捏合完成的物质进行过20目筛的筛选。
进一步地，S3中所述压制成型的压力为为15-40Mpa，所述陈化为在25℃-100℃干燥4h-6h，所述烧结的烧结温度为800℃-870℃。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的高温相变储热材料，包含有电熔氧化镁，电熔氧化镁具有较高的表面活性和较低的热膨胀系数，可以降低烧结过程中颗粒的表面张力，使原料颗粒在烧结过程中能够充分接触与融合，颗粒间的粘结性更好，有助烧结，在制备储热砖，尤其制备大尺寸储热砖时不会出现严重开裂、变形或强度不足的现象。
2.本发明提供的高温相变储热材料，电熔氧化镁的粒径为40-80μm，粒径太大时不易压制成型，粒径太小时成型后不易脱模，且成本会提高，并具体限定了各组分之间的用量，彼此之间可以协同作用，制备出高成品率及抗压强度高的储热砖。
3.本发明提供的高温相变储热材料，相变材料为碳酸钠，以单一组分的碳酸钠为相变材料，相变温度高于大部分共晶盐，采用更高的温度进行烧结，不仅提高了材料的致密度和强度，还扩大了材料的使用温度范围，最高使用温度超过800℃，可以存储更多的热量，而且温差越大传热效率越高，在大规模的工业用热、或者更高温度的制备工业蒸汽的过程中，越高的使用温度效果越好；并且使用单一组分的相变材料，使得相变储热材料可一次烧结成型，无需预烧制砂，降低了制备成本；烧结助剂为氧化铋、氧化铅和碳酸钡，可以起到很好的助熔作用，降低了材料整体的熔化温度，使材料更易烧结，使得相变储热材料在碳酸钠的相变温度858℃前就可进行有效烧结，制成成型良好的大砖。
4.本发明提供的高温相变储热材料，烧结助剂中含有碳酸钡，可以与碳酸钠和硅酸钠在高温下形成共熔体，从而降低各成分的熔点，起到助熔作用。在制备储热砖过程中，各组分在烧结温度下均为熔化状态，坯体内部不会出现固液分布不均匀和应力分布不均匀的现象，同时可以使坯体在高温下的粘度降低、流动性增加，有助于排除坯体中的气泡，进一步增强储热砖的致密性，使储热砖具有较高的抗压性能、硬度，同时能够增加储热砖的导热系数，使储热砖具有较高的传热性能，储热砖内部的温度分布均匀，加快其加热释热速率。
5.本发明提供的高温相变储热材料，吸潮率更低，且可以通过改变烧结助剂碳酸钡的添加量对材料的相变温度进行调节，从而使相变储热材料的应用范围变得更加灵活。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
(1)将粒径为60μm的电熔氧化镁粉和重质碳酸钠混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与碳酸钡和硅酸钠进行混合，形成第二混合料，电熔氧化镁粉、重质碳酸钠、碳酸钡和硅酸钠的质量比为40:50:6:0.5；
(3)以第二混合料质量计，加入12％的水到第二混合料中，搅拌捏合10min后过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在16Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在25℃下干燥4h；
(5)在835℃下烧结1h，得到高温相变储热砖。
实施例2
(1)将粒径为60μm的电熔氧化镁粉和重质碳酸钠混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与氧化铋和硅酸钠进行混合，形成第二混合料，电熔氧化镁粉、重质碳酸钠、碳酸钡和硅酸钠的质量比为44:50:1:5混合均匀，得到混合料；
(3)以第二混合料质量计，加入10％的水到第二混合料中，搅拌捏合15min后过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在16Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在50℃下干燥5h；
(5)在850℃下烧结1h，得到高温相变储热砖。
实施例3
(1)将粒径为40μm的电熔氧化镁粉和重质碳酸钠混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与碳酸钡、氧化铋和硅酸钠进行混合，形成第二混合料，电熔氧化镁粉、重质碳酸钠、碳酸钡和氧化铋的质量比为32:56:3:2：2；
(3)以第二混合料质量计，加入10％的水到第二混合料中，搅拌捏合20min后过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在16Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在75℃下干燥5h；
(4)在830℃下烧结1h，得到高温相变储热砖。
实施例4
(1)将粒径为40μm的电熔氧化镁粉和重质碳酸钠混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与碳酸钡和硅酸钠进行混合，形成第二混合料，电熔氧化镁粉、重质碳酸钠、碳酸钡和硅酸钠的质量比为32:56:0.5:6；
(3)以第二混合料质量计，加入16％的水到第二混合料中，搅拌捏合25min后过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在40Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在25℃下干燥4h；
(5)在840℃下烧结1h，得到高温相变储热砖。
实施例5
(1)将粒径为80μm的电熔氧化镁粉和重质碳酸钠混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与碳酸钡、硅酸钠和氧化铋进行混合，形成第二混合料，电熔氧化镁粉、重质碳酸钠、碳酸钡、硅酸钠和氧化铋的质量比为40:50:5:4:1的比例混合均匀，得到混合料；
(3)以第二混合料质量计，加入8％的水到第二混合料中，搅拌捏合30min后过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在20Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在25℃下干燥4h；
(4)在800℃下烧结1h，得到高温相变储热砖。
实施例6
(1)将粒径为70μm的电熔氧化镁粉和重质碳酸钠混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与碳酸钡、硅酸钠和氧化铅进行混合，形成第二混合料，电熔氧化镁粉、重质碳酸钠、碳酸钡、硅酸钠和氧化铅的质量比为59:40:4:3:2；
(3)以第二混合料质量计，加入10％的水到第二混合料中，搅拌捏合30min后过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在15Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在100℃下干燥6h；(5)在870℃下烧结1h，得到高温相变储热砖。
对比例1
(1)将重质氧化镁粉、碳酸钠和碳酸钾混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与高岭土进行混合，形成第二混合料，重质氧化镁粉、碳酸钠、碳酸钾和高岭土的质量比为35:27:28:10；
(3)以第二混合料质量计，加入8％的聚乙烯醇水溶液到第二混合料中，搅拌捏合10min过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在16Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在25℃下干燥4h；
(5)在710℃下烧结1h，得到相变储热砖。
对比例2
(1)将重质氧化镁粉、碳酸钠和碳酸钾混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与硅酸钠和高岭土进行混合，形成第二混合料，重质氧化镁粉、碳酸钠、碳酸钾、硅酸钠和高岭土的质量比为40:27:28:5；
(3)以第二混合料质量计，加入8％的聚乙烯醇水溶液到第二混合料中，搅拌捏合10min后过20目筛形成捏合料；
(3)将上述捏合料在16Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在25℃下干燥4h；
(4)在710℃下烧结1h，得到相变储热砖。
对比例3
(1)将重质氧化镁粉、碳酸钠和碳酸锂混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与石墨粉进行混合，形成第二混合料，重质氧化镁粉、碳酸钠、碳酸锂和石墨粉的质量比为30:37:23:10；
(3)以第二混合料质量计，加入质量分数为8％的聚乙烯醇水溶液到第二混合料中，搅拌捏合10min后过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在16Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在25℃下干燥4h；
(4)在510℃下烧结1h，得到相变储热砖。
对比例4
(1)将粒径为60μm的重质氧化镁粉和重质碳酸钠混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与碳酸钡和硅酸钠进行混合，形成第二混合料，重质氧化镁粉、重质碳酸钠、碳酸钡和硅酸钠的质量比为40:50:6:0.5；
(3)以第二混合料质量计，加入12％的水到第二混合料中，搅拌捏合10min后过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在16Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在25℃下干燥4h；
(5)在835℃下烧结1h，得到高温相变储热砖。对比例5
对比例5
(1)将粒径为60μm的电熔氧化镁粉和重质碳酸钠混合均匀，形成第一混合料；
(2)将第一混合料与硅酸钠进行混合，形成第二混合料，电熔氧化镁粉、重质碳酸钠和硅酸钠的质量比为40:50:0.5；
(3)以第二混合料质量计，加入12％的水到第二混合料中，搅拌捏合10min后过20目筛形成捏合料；
(4)将上述捏合料在16Mpa下压制成型，保压时间30s；然后在25℃下干燥4h；
(5)在835℃下烧结1h，得到高温相变储热砖。
对实施例1-6制备得到的高温相变储热砖和对比例1-5得到的相变储热砖进行测试，结果见表1。
表1
Figure BDA0002287255500000101
Figure BDA0002287255500000111
从表1结果中可以看出，由实施例1-6制备的高温相变储热材料的抗压强度均在25Mpa以上、相变温度均在800℃以上，明显高于对比例1-3制备的相变储热材料的抗压强度和相变温度。
由实施例1-6制备的高温相变储热材料的吸潮率均在0.3％以下，明显低于对比例1-3制备的相变储热材料的吸潮率。
由实施例1-6制备的高温相变储热材料的成品率在84％以上，高于对比例1-5的成品率，且在加入烧结助剂氧化铋和氧化铅后材料的成品率进一步提高。
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)

1.一种高温相变储热材料，其特征在于，包括基体材料、相变材料、粘合剂和烧结助剂，所述基体材料中包含电熔氧化镁。
2.根据权利要求1所述的高温相变储热材料，其特征在于，所述基体材料、相变材料、粘合剂和烧结助剂的质量比为(32-59)：(40-56)：(0.5-6)：(0.5-6)。
3.根据权利要求2所述的高温相变储热材料，其特征在于，所述电熔氧化镁的粒径为40-80μm。
4.根据权利要求3所述的高温相变储热材料，其特征在于，所述相变材料为碳酸钠。
5.根据权利要求4所述的高温相变储热材料，其特征在于，所述粘合剂为硅酸钠、聚乙烯醇和纸浆废液中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的高温相变储热材料，其特征在于，所述烧结助剂为氧化铋、氧化铅和碳酸钡中的一种或几种。
7.权利要求1-6中任一项所述的高温相变储热材料制备的储热砖。
8.权利要求7所述的储热砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将基体材料、相变材料进行混合，形成第一混合料；
S2，将所述第一混合料与粘合剂和烧结助剂进行混合，形成第二混合料；以及
S3，对所述第二混合料进行捏合、过筛和压制成型得到成型料，将所述成型料陈化处理后，再经烧结得到所述储热砖。
9.根据权利要求8所述的储热砖的制备方法，其特征在于，S3中所述捏合为以第二混合料质量计，加入8％-16％的水进行搅拌捏合10-30min；所述过筛为将捏合完成的物质进行过20目筛的筛选。
10.根据权利要求9所述的储热砖的制备方法，其特征在于，S3中所述压制成型的压力为为15-40Mpa，所述陈化为在25℃-100℃干燥4h-6h，所述烧结的烧结温度为800℃-870℃。
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