CN112409996B - 一种柔-弹性定形控温多功能相变材料及其制备方法 - Google Patents

一种柔-弹性定形控温多功能相变材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种柔‑弹性定形控温多功能相变材料及其制备方法，柔‑弹性定形控温多功能相变材料包括以下质量百分比原料：石蜡类烷烃相变材料75‑85％、烯烃嵌段共聚物12‑20％、氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物2‑8％和交联剂0.5‑1％。该材料柔‑弹定形效果极佳，储能密度高，控温效果好，18‑65℃内相变温度可调。本发明还提供了上述柔‑弹性定形控温多功能相变材料的制备方法。本发明所用原料来源广泛，成本低廉，制备方法简单，绿色环保，安全无毒，有效解决了现有技术中制备工艺复杂、量产困难和所得材料性能有限等问题。

Description

一种柔-弹性定形控温多功能相变材料及其制备方法
技术领域
本发明属于多功能相变材料技术领域，具体涉及一种柔-弹性定形控温多功能相变材料及其制备方法。
背景技术
相变材料在使用时需要封装，形状稳定的固液(定形)相变材料的出现为相变储能领域带来了发展契机。目前定形相变材料主要以制备过程复杂的相变微胶囊、量产困难的多孔基复合相变材料为主。定形相变材料急需一种低成本、环保绿色便捷的制备方法。相变材料与单一的热塑性弹性体熔融共混得到的复合材料性能有限，开发性质优良、多功能的复合相变材料对柔性可穿戴设备的控温、电子器件的散热、人体热疗复健等应用具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种柔-弹性定形控温多功能相变材料及其制备方法，所用原料来源广泛，成本低廉，制备方法操作简单易控制，有效解决了现有技术中制备工艺复杂、量产困难和所得材料性能有限等问题。
为实现上述目的，本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：提供一种柔-弹性定形控温多功能相变材料，包括以下质量百分比原料：石蜡类烷烃相变材料75-85％、烯烃嵌段共聚物(Olefin Block Copolymers，简称OBC)12-20％、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(Styrene Ethylene Butylene Styrene，简称SEBS)2-8％和交联剂0.5-1％。
进一步，柔-弹性定形控温多功能相变材料包括以下质量百分比原料：石蜡类烷烃相变材料78％、烯烃嵌段共聚物18％、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物5％和交联剂0.7％。
进一步，石蜡类烷烃相变材料为相变温度为18-65℃的石蜡类烷烃相变材料。
进一步，石蜡类烷烃相变材料为正十六烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷、正二十一烷、正二十二烷或石蜡。
进一步，氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物为G1650、G1651、G1652、FG1901、4033、4044和4055中的至少一种。
进一步，G1650、G1651、G1652和FG1901为美国科腾公司(KRATON)生产KRATON G&E标准系列；4033、4044和4055为日本可乐丽公司(KURARAY)生产的SEPTON系列。
进一步，烯烃嵌段共聚物为9500、9530和9800中的至少一种。
进一步，9500、9530和9800为美国陶氏化学公司(Dow Chemical Company)采用链穿梭聚合工艺合成的新型热塑性弹性体INFUSETMOBC。
进一步，交联剂为过氧化二异丙苯(DCP)或过氧化二苯甲酰(BPO)。
上述柔-弹性定形控温多功能相变材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石蜡类烷烃相变材料和氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物在120-180℃温度下搅拌熔融共混30-60min，得共混物一；
(2)向步骤(1)所得共混物一中加入干燥的烯烃嵌段共聚物和交联剂，在120-180℃温度下搅拌熔融共混30-60min，得共混物二；
(3)将步骤(2)所得共混物二浇铸，冷却，得柔-弹性定形控温多功能相变材料。
进一步，步骤(1)中，在120℃温度下搅拌熔融共混30min。
进一步，步骤(2)中，在160℃温度下搅拌熔融共混40min。
进一步，步骤(1)和(2)中，搅拌速度为50-80rpm。
进一步，步骤(3)中，冷却时为骤冷或室温缓慢冷却。
综上所述，本发明具备以下优点：
1、本发明以石蜡类烷烃作为相变材料和两种热塑性弹性体氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)与烯烃嵌段共聚物(OBC)协同优化作为定形基体，交联剂的引发作用使相变材料与定形基体匀质混合，基体的交联结构将相变介质很好地包封同时不破坏储能控温性质，具有良好的形状稳定和防相变材料泄漏能力；所用原料来源广泛，成本低廉，采用分步熔融法共混法制备，相比于复杂的相变微胶囊，制备时简单易控制，安全无毒，有效解决了现有技术中制备工艺复杂、量产困难和所得材料性能有限等问题，适用于大规模生产。
2、所得柔-弹性定形控温多功能相变材料同时具备：柔-弹性、相变控温、定形防泄露三种功能；在低于相变材料相变温度时具有柔性，刚性小，不易破碎，提升了单一氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)复合石蜡类烷烃相变材料在低温时刚性大，容易脆断的性质；高于相变温度时具有一定弹性，可拉伸扭转折叠，不易破碎，有一定的形状恢复能力；可在100℃内使用，具有优良的定形和防相变材料泄漏能力；该材料利用相变材料的相变潜热而达到相变控温的目的，且相变材料的负载率可达到85％不泄露，相变潜热大，储热能力强。
3、制备原料中，石蜡烷烃类材料是重要的有机相变材料，其成本低廉、来源广泛、制备方法简单，相变温度可调，在储能控温系统中有广泛的应用前景。氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)是以聚苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物，SEBS不含不饱和双键，具有良好的稳定性和耐老化性；SEBS与石蜡类烷烃之间有较好的相容性。烯烃嵌段共聚物(OBC)是具有高结晶度硬段以及半结晶性至无定形软段的弹性体材料，硬段的结晶相畴提供了弹性体所必须的网络连接；当OBC与SEBS共混时，共混物的弹性行为得到改善，随着SEBS用量的增大，压缩永久变形降低，复合材料兼备OBC与SEBS的优点。
4、以OBC充当主要支撑材料；利用SEBS与OBC的强相容性，SEBS作为桥接和辅助支撑材料，将石蜡类烷烃相变材料固定在OBC无定形嵌段中用作储能介质，协同制备在18-65℃相变温度可调节、性能优良的柔-弹性定形控温多功能相变材料。该材料具有交联的网络结构，其定形与防泄露效果极好，低于相变温度时为柔性，高于相变温度时具有良好的弹性，储能密度高，功能性强；制备方法简单，成本低廉，安全无毒，可大规模生产。
附图说明
图1为制备方法的流程图；
图2为实施例1所得柔-弹性定形控温多功能相变材料的柔-弹性效果；
图3为实施例2所得柔-弹性定形控温多功能相变材料的手动拉伸柔-弹性效果；
图4为实施例3所得柔-弹性定形控温多功能相变材料的DSC曲线；
图5为对比例2所得相变材料在40℃下的刚性脆裂示意图。
具体实施方式
实施例1
一种柔-弹性定形控温多功能相变材料，包括以下原料：正二十二烷50g、FG19013g、INFUSETMOBC 9530 12g和过氧化二异丙苯0.5g。
上述柔-弹性定形控温多功能相变材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将正二十二烷和FG1901在120℃温度下搅拌熔融共混30min，搅拌速度为50rpm，至体系混合均匀，呈现透明色，得共混物一；
(2)向步骤(1)所得共混物一中加入INFUSETMOBC 9530和过氧化二异丙苯，在160℃温度下搅拌熔融共混40min，搅拌速度为50rpm，得共混物二；
(3)将步骤(2)所得共混物二浇铸，冷却，得柔-弹性定形控温多功能相变材料。
对所得柔-弹性定形控温多功能相变材料的柔-弹性效果进行检测，其结果见图2。由图2可知，该相变材料在低于相变温度具备柔性，可弯折，高于相变温度，具有弹性，折叠不脆断。
实施例2
一种柔-弹性定形控温多功能相变材料，包括以下原料：正二十二烷50g、FG19013g、INFUSETMOBC 9530 12.5g和过氧化二异丙苯(DCP)0.5g。
上述柔-弹性定形控温多功能相变材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将正二十二烷和FG1901在120℃温度下搅拌熔融共混30min，搅拌速度为60rpm，至体系混合均匀，呈现透明色，得共混物一；
(2)向步骤(1)所得共混物一中加入INFUSETMOBC 9530和过氧化二异丙苯(DCP)，在160℃温度下搅拌熔融共混40min，搅拌速度为60rpm，得共混物二；
(3)将步骤(2)所得共混物二浇铸，冷却，得柔-弹性定形控温多功能相变材料。
对所得柔-弹性定形控温多功能相变材料在35℃下手动拉伸柔-弹性效果进行测试，其结果见图3。由图3可知，该材料在相变温度附近的弹性较好，拉伸不易断，且有一定回弹性。
实施例3
一种柔-弹性定形控温多功能相变材料，包括以下原料：OP44E相变蜡50g、G16522g、INFUSETMOBC 9530 13g和过氧化二异丙苯(DCP)0.5g。
上述柔-弹性定形控温多功能相变材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将：OP44E相变蜡和G1652在120℃温度下搅拌熔融共混30min，搅拌速度为80rpm，至体系混合均匀，呈现透明色，得共混物一；
(2)向步骤(1)所得共混物一中加入INFUSETMOBC 9530和过氧化二异丙苯(DCP)，在160℃温度下搅拌熔融共混40min，搅拌速度为80rpm，得共混物二；
(3)将步骤(2)所得共混物二浇铸，冷却，得柔-弹性定形控温多功能相变材料。
将所得柔-弹性定形控温多功能相变材料的连续25次热循环后，测定并绘制其DSC曲线，其结果如图4所示。由图4可知，经过25次热循环后，相变曲线无大波动，所得材料具备优良的相变控温稳定性。
对比例1
一种相变材料的制备方法包括以下步骤：将熔融状态下50g相变材料正二十二烷与15g的INFUSETMOBC 9530在160℃下，金属油浴锅中熔融共混40min，混合均匀后冷却，得到相变材料。
对比例2
一种相变材料的制备方法包括以下步骤：将熔融状态下50g相变材料正二十二烷与6g SEBS FG1901在160℃金属油浴锅中熔融共混60min，至体系混合均匀，呈现透明色，倒出冷却，得到相变材料。
对所得相变材料在40℃下的刚性脆裂进行测试，其结果见图5。由图5可知，所得相变材料在40℃下刚性较大，不具备柔性，易碎裂。
试验例
分别测定实施例1-3所得柔-弹性定形控温多功能相变材料和对比例1-2所得相变材料的相变温度和相变潜热参数，其结果见表1。其中，Tm、TC、ΔHm、ΔHc均由美国TA仪器公司生产的DSC-Q20热流式差示扫描量热仪测试的储热性能，温度为10-80℃，升(降)温速率为5℃/min，氮气保护。
表1相变温度和相变潜热参数统计表
Figure BDA0002797301570000071
由表1可知，本发明所得柔-弹性定形控温多功能相变材料相变潜热焓值在150J/g左右，与相变材料的负载率相匹配，采用更高焓值的石蜡烷烃类相变材料可以得到更高潜热值的柔-弹性定形控温多功能相变材料。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种柔-弹性定形控温多功能相变材料，其特征在于，包括以下质量百分比原料：石蜡类烷烃相变材料75-85％、烯烃嵌段共聚物12-20％、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物2-8％和交联剂0.5-1％；所述石蜡类烷烃相变材料为相变温度为18-65℃的石蜡类烷烃相变材料；
所述石蜡类烷烃相变材料为正十六烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷、正二十一烷、正二十二烷或石蜡；所述氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物为G1650、G1651、G1652、FG1901、4033、4044和4055中的至少一种；
上述的柔-弹性定形控温多功能相变材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石蜡类烷烃相变材料和氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物在120-180℃温度下搅拌熔融共混30-60min，得共混物一；
(2)向步骤(1)所得共混物一中加入干燥的烯烃嵌段共聚物和交联剂，在120-180℃温度下搅拌熔融共混30-60min，得共混物二；
(3)将步骤(2)所得共混物二浇铸，冷却，得柔-弹性定形控温多功能相变材料。
2.如权利要求1所述的柔-弹性定形控温多功能相变材料，其特征在于，包括以下质量百分比原料：石蜡类烷烃相变材料78％、烯烃嵌段共聚物18％、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物5％和交联剂0.7％。
3.如权利要求1或2所述的柔-弹性定形控温多功能相变材料，其特征在于，所述烯烃嵌段共聚物为9500、9530和9800中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的柔-弹性定形控温多功能相变材料，其特征在于，所述交联剂为过氧化二异丙苯或过氧化二苯甲酰。
5.如权利要求1所述的柔-弹性定形控温多功能相变材料，其特征在于，步骤(1)中，在120℃温度下搅拌熔融共混30min。
6.如权利要求1所述的柔-弹性定形控温多功能相变材料，其特征在于，步骤(2)中，在160℃温度下搅拌熔融共混40min。
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