CN112851403A - 一种中空相变储能陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中空相变储能陶粒及其制备方法，涉及相变储能材料技术领域。本发明的制备方法为：通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空环境下将中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡30‑40min即可得到相变储能陶粒。本发明的储能陶粒无需进行二次包装处理，具有强度高、储存量大、泄漏率低、相变换热效率高等特点，同时制备方法简单，能够满足建筑领域的应用，具有重要的工业化生产意义。

Description

一种中空相变储能陶粒及其制备方法
技术领域
本发明涉及相变储能材料技术领域，特别是涉及一种中空相变储能陶粒及其制备方法。
背景技术
近年来，建筑能耗约占世界总能耗的三分之一，其中超过一半的能源消耗来自空间冷热控制。因此，应采取一些节能技术来降低能耗。许多研究者指出蓄热在调节室内温度、将高峰负荷向低谷负荷转移、降低空间冷暖能耗等方面发挥着重要作用。相变材料(PCM)在相变过程中具有良好的蓄热能力和较窄的温度变化范围，因此引起了广泛的关注。目前，将建筑构件与PCM结合成为建筑节能领域的一种有效途径。
然而，PCM与建筑构件的有效结合是一个具有挑战性的课题。目前，有机固-液PCM因其潜热大、体积变化小、性能稳定等优点，被广泛应用于建筑围护结构中。但是，如果将PCM与建筑材料直接结合，固-液PCM在相变过程中会发生泄漏。这一现象不仅会影响PCM的热效率，还会影响建筑材料的力学性能和耐久性。因此，为了解决泄漏问题，人们研究了各种封装技术，如微胶囊封装技术、宏观封装技术和多孔材料吸附技术。
相对于微胶囊封装技术和宏观包封技术，多孔材料吸附技术因其工艺简单、价格低廉等优点越来越受到人们的重视。用于吸附PCM的多孔材料一般分为粘土基矿物材料和陶粒两大类。但是，直接添加在混凝土混合料中的粘土矿物基相变材料经常会分散不均而且所粘附在表面的PCM可能会干扰水化产物，因此并不是最佳选择。陶粒吸附技术因其能更有效、更方便地与建筑材料结合而得到广泛的研究。
许多研究者利用毛细管力、氢键和范德华力等作用，制备了高孔隙度的陶粒复合材料。Zhang等人通过在多孔陶粒中掺入PCM制备了储能混凝土，多孔陶粒吸收PCM的最大百分比为68％，所制备的复合相变材料具有较大的储热密度，适于大规模加工。Menmon等制备了一种用于功能混凝土的石蜡/陶粒骨料，室内热性能试验表明，石蜡/陶粒混凝土具有降低温度波动和降低能耗的作用。
然而，仍有许多问题需要解决。例如，(a)高孔隙率的陶粒通常对应的是低强度和松散的颗粒结构，这限制了混凝土的强度。Yang提出了一种应用于建筑围护结构的轻质骨料复合PCM。按照混凝土生产标准制备了6块不同质量分数的相变混凝土，其最大压应力为0.54MPa，当相变陶粒质量分数为20％时，抗压强度下降近30％。(b)真空吸附法吸入陶粒的PCM容易渗漏，需要使用涂层防止渗漏。在Cui的试验中发现了这一现象，通过测量试样的质量损失来评价轻骨料的密封性能。结果表明，经过150次热循环后，无涂层的相变骨料质量损失率约为25％；环氧树脂包覆的相变陶粒的质量损失率约为0.81％。在Menmon的研究中，对石蜡/陶粒进行了改性环氧包覆。通过泄漏测试，确定了包封的效果，结果表明，泄漏量小于5％。
然而，环氧陶粒涂层虽然可以防止渗漏，但这种技术也会带来一些新的问题，例如制备工艺复杂，导热系数低，界面相容性差的问题。因此，为了更方便、有效地将PCM应用于建筑围护结构中，有必要开发一种在不需要涂层条件下强度更高、贮存能力更好、渗漏率低的新型载体。
发明内容
本发明的目的是提供一种中空相变储能陶粒及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，使相变储能陶粒强度高，贮存能力好，无需二次包封，并且材料来源广泛，成本低廉，操作简单。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种相变储能陶粒，以中空陶粒为基体，所述基体的中空腔体内储存有有机相变物质；
所述中空陶粒的中空腔体占中空陶粒总体积的40-50％。
进一步地，所述基体包括粉煤灰、铜渣或煤矸石。
进一步地，所述有机相变物质包括石蜡、脂肪酸及其衍生物。
本发明还提供一种上述相变储能陶粒的制备方法，采用真空浸渍法使中空陶粒吸附有机相变物质。
进一步地，制备方法包括以下步骤：
通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空环境下将中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡30-40min。
进一步地，所述真空环境的压力为-0.093～－0.097MPa，温度为25-70℃。
进一步地，在浸泡之前，还包括对中空陶粒进行干燥和加热的步骤。
进一步地，加热温度为30-70℃。
该加热温度条件可以防止因为基体温度低于相变材料温度时造成的急速冷却，从而堵塞孔洞，减少相变材料的进入。
本发明公开了以下技术效果：
本发明采用中空陶粒负载相变材料制备相变储能陶粒，主要达到的技术效果包括以下三个方面：(1)相变储能陶粒强度高；(2)相变储能陶粒吸附量大；(3)相变储能陶粒泄漏率小。
与普通高孔隙率的陶粒相比，中空陶粒不需要为了满足高孔隙而牺牲自身的颗粒强度；中空陶粒内部的空腔通过真空吸附技术可以储存更多的相变物质；更为重要的是中空陶粒内腔改变了PCM在陶粒中的原始渗透方式，对于中空陶粒壳壁的控制可以减少相变材料的泄漏率。
本发明所制备的这种新型空心陶粒不仅可以直接用于建筑结构而无需进行二次包装处理，而且为PCM在建筑中的应用提供了一种自适应的思路。能够直接作为骨料使用，实现了长期稳定保存，减少了施工工艺，增大了相变陶粒与混凝土基体之间的相容性。
同时本发明的材料来源广泛，价格便宜，且制备方法简单，能够实现储能陶粒的批量化生产，具有重要的工业化生产意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的中空陶粒与相变陶粒制备流程图；
图2为本发明的中空陶粒与相变陶粒制备图；
其中，(1)为成球盘；(2)为马弗炉；(3)为真空吸附装置；
图3为本发明实施例1制备的中空相变储能陶粒实物图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
本发明的中空陶粒与相变陶粒制备流程图见图1；中空陶粒与相变陶粒制备图见图2。
中空陶粒的烧结温度直接决定产品的泄漏率，本发明采用烧结温度为1100-1200℃的中空陶粒。
实施例1
采用烧结温度为1100℃的粉煤灰中空陶粒储存有机相变物质，陶粒直径为11.23mm，内腔的直径为5.6mm，形状近似为球形。
选用熔点为29℃、相变焓为224.5J/g的石蜡作为有机相变物质。
制备方法：
通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空压力为-0.095MPa，温度为70℃条件下，中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡30min，得到中空相变储能陶粒。
浸泡完毕后，检测有机相变物质的储存量为中空相变储能陶粒质量的40％。
制备得到的中空相变储能陶粒实物图见图3。
实施例2
采用烧结温度为1150℃的铜渣中空陶粒储存有机相变物质，陶粒直径为10mm，内腔的直径为4.5mm，形状近似为球形。
选用熔点为65℃、相变焓为224.5J/g的切片石蜡作为有机相变物质。
制备方法：
通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空压力为-0.095MPa，温度为70℃条件下，中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡40min，得到中空相变储能陶粒。
浸泡完毕后，检测有机相变物质的储存量为中空相变储能陶粒质量的32％。
实施例3
采用烧结温度为1200℃的煤矸石中空陶粒储存有机相变物质，陶粒直径为10.2mm，内腔的直径为4.3mm，形状近似为球形。
选用熔点为65℃、相变焓为224.5J/g的切片石蜡作为有机相变物质。
制备方法：
通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空压力为-0.093MPa，温度为70℃条件下，中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡35min，得到中空相变储能陶粒。
浸泡完毕后，检测有机相变物质的储存量为中空相变储能陶粒质量的的35％。
实施例4
采用烧结温度为1100℃的粉煤灰中空陶粒储存有机相变物质，陶粒直径为10mm，内腔的直径为5mm，形状近似为球形。
选用熔点为29℃、相变焓为204.5J/g的正十四烷作为有机相变物质。
制备方法：
通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空压力为-0.097MPa，温度为35℃条件下，中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡38min，得到中空相变储能陶粒。
浸泡完毕后，检测有机相变物质的储存量为中空相变储能陶粒质量的46％。
实施例5
采用烧结温度为1150℃的粉煤灰中空陶粒储存有机相变物质，陶粒直径为10.3mm，内腔的直径为4.3mm，形状近似为球形。
选用熔点为29℃、相变焓为204.5J/g的正十四烷作为有机相变物质。
制备方法：
(1)对中空陶粒进行干燥处理并加热至温度为30℃；
(2)通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空压力为-0.094MPa，温度为32℃条件下，中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡38min，得到中空相变储能陶粒。
浸泡完毕后，检测有机相变物质的储存量为中空相变储能陶粒质量的42％。
实施例6
采用烧结温度为1200℃的粉煤灰中空陶粒储存有机相变物质，陶粒直径为10.2mm，内腔的直径为4.5mm，形状近似为球形。
选用熔点为29℃、相变焓为204.5J/g的正十四烷作为有机相变物质。
制备方法：
(1)对中空陶粒进行干燥处理并加热至温度为70℃；
(2)通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空压力为-0.093MPa，温度为32℃条件下，中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡38min，得到中空相变储能陶粒。
浸泡完毕后，检测有机相变物质的储存量为中空相变储能陶粒质量的47％。
实施例7
采用烧结温度为1200℃的粉煤灰中空陶粒储存有机相变物质，陶粒直径为10.2mm，内腔的直径为4.3mm，形状近似为球形。
选用熔点为29℃、相变焓为204.5J/g的正十四烷作为有机相变物质。
制备方法：
(1)对中空陶粒进行干燥处理并加热至温度为55℃；
(2)通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空压力为-0.094MPa，温度为32℃条件下，中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡36min，得到中空相变储能陶粒。
浸泡完毕后，检测有机相变物质的储存量为中空相变储能陶粒质量的45％。
对比例1
与实施例1不同之处仅在于，将粉煤灰基体中空陶粒替换为同等大小的粉煤灰基体多孔结构陶粒。
对比例2
与实施例1不同之处仅在于，陶粒的内腔直径为9.5mm，内腔的直径为5.6mm。
对比例3
与实施例4不同之处仅在于，将正十四烷替换成月桂酸。
对比例4
与实施例4不同之处仅在于，将正十四烷替换成葵酸。
本发明实施例1-6以及对比例1-4制备的中空相变储能陶粒的物理性能和热性能见表1。
表1
Figure BDA0002933562360000101
注：表1中泄漏率是经过200次相变循环试验测得。
相变循环试验操作：将中空储能陶粒放入40℃烘箱中，4h后取出，再将中空储能陶粒置于10℃空气中冷却，即完成一次循环过程。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种相变储能陶粒，其特征在于，以中空陶粒为基体，所述基体的中空腔体内储存有有机相变物质；
所述中空陶粒的中空腔体占中空陶粒总体积的40-50％。
2.根据权利要求1所述的相变储能陶粒，其特征在于，所述基体包括粉煤灰、铜渣或煤矸石。
3.根据权利要求1所述的相变储能陶粒，其特征在于，所述有机相变物质包括石蜡、脂肪酸及其衍生物。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的相变储能陶粒的制备方法，其特征在于，采用真空浸渍法使中空陶粒吸附有机相变物质。
5.根据权利要求4所述的相变储能陶粒的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
通过抽真空抽出中空陶粒内部孔隙和空腔中的空气，然后在真空环境下将中空陶粒浸泡在有机相变物质中，持续浸泡30-40min。
6.根据权利要求5所述的相变储能陶粒的制备方法，其特征在于，所述真空环境的压力为-0.093～－0.097MPa，温度为25-70℃。
7.根据权利要求5所述的相变储能陶粒的制备方法，其特征在于，在浸泡之前，还包括对中空陶粒进行干燥和加热的步骤。
8.根据权利要求7所述的相变储能陶粒的制备方法，其特征在于，加热温度为30-70℃。
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