CN112877036B - 一种相变材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种相变材料及其制备方法与应用，属于复合材料技术领域。本发明提供的相变材料，包括以下质量百分含量的原料：膨胀石墨复合相变石蜡颗粒90～98％，导热粉1～5％和热熔胶粉1～5％。本发明提供的相变材料以膨胀石墨复合相变石蜡颗粒为主材料，由于相变石蜡的存在，使相变材料拥有优异的流变性，进而使相变材料可以利用热压成型的工艺成型，简化了降温餐具的制备；同时，膨胀石墨的使用，使相变材料具有优异的导热性。实施例的数据表明：本发明提供的相变材料的导热系数为3.4～3.6W/mK。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种相变材料及其制备方法与应用。
背景技术
相变材料应用到降温餐具，可以将过热的食品快速冷却至适宜食用或饮用的温度。既可以减少烫伤的概率，又可以减少等待的时间。相比普通保温餐具制作过程，降温餐具增加了一道工序——装填相变材料，降温餐具生产工艺由装填相变材料的工艺决定，装填工艺由相变材料形态决定。
传统方法：膨胀石墨复合相变石蜡后，相变石蜡吸附到膨胀石墨的孔隙中，复合材料堆积密度约为0.4～0.6g/cm3。在实际应用场景中，往往没有过多的空间，所以复合材料需要压铸成型，即将粉末状的复合材料装入模具中，使用压力机压铸成型，块状的相变材料放入预留的填充腔体中。如中国专利CN211093206U，将相变材料压铸成型成块状，之后再将块状的相变材料套在内壳外壁。但是，压铸成型的相变材料块的形状一般比较简单，然而降温餐具外形一般包含弧面或者斜面，如办公杯、降温碗等，类似具有复杂弧面、斜面的块，其压铸过程、组装过程较困难且产能低，即压铸成型对产品外形设计及加工过程会有较大的限制作用，且压铸成型需要配套压力机和相应的模具。另外，在实际操作过程中，压铸成型的块由于加工公差的存在，容易与内胆贴合不紧密，从而产生过大的接触热阻，最终导致降温速率变得缓慢。实验发现压铸成型的块不能再生利用，这使得降温餐具生产成本进一步增加。
综上所述，针对现有降温餐具用相变材料压铸成型生产工艺的痛点，提供一种与内胆接触好、热阻小的相变材料成为研究热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种相变材料及其制备方法与应用。本发明提供的相变材料热阻小、与内胆接触好，能够采用热压成型的方式成型。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种相变材料，包括以下质量百分含量的原料：膨胀石墨复合相变石蜡颗粒90～98％，导热粉1～5％和热熔胶粉1～5％。
优选地，以膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量为100％计；所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒包括：
粒径为2～4mm的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量百分含量为20～40％；
粒径为0.1～2mm的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量百分含量为50～70％；
粒径小于0.1mm的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量百分含量为5～15％。
优选地，所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒中膨胀石墨的质量百分含量为8～30％。
优选地，所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒由包括以下步骤的方法制备得到：
将膨胀石墨和相变石蜡粉末混合，加热后挤出，得到所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒。
优选地，所述膨胀石墨的粒径为50～500目，所述相变石蜡粉末的粒径≤300μm。
优选地，所述导热粉包括天然鳞片石墨粉和/或氮化硼粉。
优选地，所述热熔胶粉包括乙烯醋酸乙烯酯热熔胶粉、聚氨酯热熔胶粉和尼龙热熔胶粉中的一种或几种。
本发明还提供了上述技术方案所述的相变材料的制备方法，包括以下步骤：
将膨胀石墨复合相变石蜡颗粒、导热粉和热熔胶粉搅拌混合，得到所述相变材料。
本发明还提供了上述技术方案所述的相变材料或上述技术方案所述的制备方法得到的相变材料在降温餐具中的应用。
优选地，所述相变材料应用于降温餐具中时，成型的方式为热压成型。
本发明提供了一种相变材料，包括以下质量百分含量的原料：膨胀石墨复合相变石蜡颗粒90～98％，导热粉1～5％和热熔胶粉1～5％。本发明提供的相变材料以膨胀石墨复合相变石蜡颗粒为主材料，由于相变石蜡的存在，使相变材料具有加热后软化，在外力作用下可任意形状成型，冷却后形状不变，且多次反复而始终具有可塑性的特点；进而可以利用热压成型工艺进行成型，简化了降温餐具的制备方法。另外，膨胀石墨具有较高的比表面积和导热性，膨胀石墨的加入能够增加相变石蜡的热导率，从而可以提高降温速率，使降温餐具里的食品更快速的冷却。
实施例的数据表明：本发明提供的相变材料的导热系数为3.4～3.6W/mK。
本发明还提供了上述技术方案所述的相变材料或上述技术方案所述的制备方法得到的相变材料在降温餐具中的应用。由于本发明提供的相变材料具有优异的导热性和流变性，使其能够采用热压成型的方式应用于降温餐具中，简化了降温餐具的制备方法。
附图说明
图1为相变材料热压成型流程示意图，其中，11-降温餐具内胆，12-降温餐具外壳，13-相变材料；
图2为实施例1所得相变材料的外观照片；
图3为实施例1所得相变材料的差式扫描量热仪测试结果示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种相变材料，包括以下质量百分含量的原料：膨胀石墨复合相变石蜡颗粒90～98％，导热粉1～5％和热熔胶粉1～5％。
在本发明中，如无特殊说明，本发明所用原料均优选为市售产品。
本发明制备相变材料的原料包括质量百分含量为90～98％的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒，具体优选为90％、95％或98％；所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒中膨胀石墨的质量百分含量优选为8～30％，进一步优选为10～25％。在本发明中，以膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量为100％计；所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒优选包括：粒径为2～4mm的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量百分含量为20～40％，具体优选为30％或40％；粒径为0.1～2mm的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量百分含量为50～70％，具体优选为60％或50％；粒径小于0.1mm的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量百分含量为5～15％，具体优选为10％。在本发明中，不同粒径的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒按照一定的比例混合后，小颗粒可以填充到大颗粒间隙中，颗粒和颗粒接触面积更大，从而导热通路更多，有利于提高相变材料的导热系数。
在本发明中，所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒优选由包括以下步骤的方法制备得到：将膨胀石墨和相变石蜡粉末混合，加热后挤出，得到所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒。在本发明中，所述膨胀石墨的粒径优选为50～500目；所述相变石蜡粉末的粒径优选≤300μm；本发明对所述混合的方式不做具体限定，只要能够将相变石蜡粉末和膨胀石墨充分混合即可；具体地如搅拌。在本发明中，所述加热的温度优选为高出相变石蜡相变温度10～30℃，时间优选为0.5～1h。在本发明中，所述挤出的设备优选为摇摆造粒机或螺杆挤压造粒机；本发明对所述摇摆造粒机或螺杆挤压造粒机的参数设置不做具体限定，只要能够得到上述粒径的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒即可。
本发明制备相变材料的原料包括质量百分含量为1～5％的导热粉，具体优选为5％、2％或1％；所述导热粉优选包括天然鳞片石墨粉和/或氮化硼粉，进一步优选为天然鳞片石墨粉或氮化硼粉；所述导热粉的粒径优选为5～100μm，进一步优选为10～30μm。在本发明中，所述导热粉的加入能够提高相变材料的导热效果；进一步地，将导热粉的粒径控制为5～100μm，可以填充在不同材料形成的间隙中，增加热通路，减少热阻，提高相变材料的导热系数。
本发明制备相变材料的原料包括质量百分含量为1～5％的热熔胶粉，具体优选为1％、3％或5％；所述热熔胶粉优选包括乙烯醋酸乙烯酯热熔胶粉、聚氨酯热熔胶粉和尼龙热熔胶粉中的一种或几种，进一步优选为乙烯醋酸乙烯酯热熔胶粉、聚氨酯热熔胶粉或尼龙热熔胶粉。在本发明中，添加热熔胶使相变材料加热后具有可塑性，考虑到降温效果(单位质量的相变潜热)和成本，热熔胶粉添加量控制为1～5％，既能达到节约成本的目的，也能提高相变材料加热后的可塑性。
本发明还提供了上述技术方案所述的相变材料的制备方法，包括以下步骤：
将膨胀石墨复合相变石蜡颗粒、导热粉和热熔胶粉搅拌混合，得到所述相变材料。
在本发明中，所述搅拌混合的温度优选比Max[相变材料相变温度，热熔胶粉软化温度]至少高10℃，具体为比相变材料的相变温度和热熔胶粉软化温度中最高温度至少高10℃。在本发明中，所述搅拌混合的转速优选为50～100rpm；所述搅拌混合的时间优选为2h。
本发明提供的相变材料的制备方法简单，易操作。
本发明还提供了上述技术方案所述的相变材料或上述技术方案所述的制备方法得到的相变材料在降温餐具中的应用。
在本发明中，所述相变材料应用于降温餐具中时，成型的方式优选为热压成型。
在本发明中，所述热压成型的流程示意图如图1所示：其中，11为降温餐具内胆，12为降温餐具外壳，13为相变材料；(1)为降温餐具内胆开始下压，未触碰到相变材料；(2)为降温餐具内胆已经触碰到相变材料，相变材料在压力作用下开始向四周流动；(3)为降温餐具内胆压合至预定位置，相变材料填流动至预定位置。具体为：相变材料13注入降温餐具外壳12中，降温餐具内胆11与降温餐具外壳12分别由夹具固定，降温餐具内胆11的夹具可以自由上下移动，降温餐具外壳12的夹具固定不动；将降温餐具内胆11垂直向下移动，相变材料受降温餐具内胆11挤压后向四周流动；直至降温餐具内胆11移动至预先设置好的位置，相变材料均匀填充至降温餐具内胆11和降温餐具外壳12的夹层中。
在本发明中，所述降温餐具优选包括但不局限于马克杯、降温保温杯、降温杯盖降温产品。
由于本发明提供的相变材料具有优异的导热性和流变性，使其能够采用热压成型的方式应用于降温餐具中，简化了降温餐具的制备方法。
下面结合实施例对本发明提供的相变材料及其制备方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)膨胀石墨(粒径为100目，膨胀石墨的质量百分含量为17％)复合40℃相变石蜡后由螺杆挤压造粒机造粒，其中，取颗粒粒径2～4mm复合材料54g，0.1～2mm复合材料108g，小于0.1mm复合材料18g，天然鳞片石墨粉(粒径为15μm)10g，EVA热熔胶粉末10g备用；
(2)将三种不同粒径的复合材料、天然鳞片石墨粉和热熔胶粉混合均匀；
(3)混合物料边搅拌边升温至70℃后，于50rpm搅拌2小时，得到相变材料。
所述膨胀石墨复合40℃相变石蜡颗粒的制备方法为：
将粒径为100目的膨胀石墨和粒径为400μm的相变石蜡粉末混合，于60℃加热30min；经挤出机挤出，得到不同粒径的膨胀石墨复合40℃相变材料颗粒。
图2为所得相变材料的外观照片，从图2可看出：相变材料中的膨胀石墨复合相变石蜡的不同粒径颗粒分布比较均匀，混合效果良好。
使用差示扫描量热仪测试所述相变材料的相变温度、相变潜热，结果如图3所示：相变温度为40℃，相变潜热为158J/g。
使用激光导热仪测试导热系数为3.6W/mK。
实施例2
(1)膨胀石墨(粒径为150目，膨胀石墨的质量百分含量为20％)复合48℃相变石蜡后由螺杆挤压造粒机造粒，其中，取颗粒粒径2～4mm复合材料38g，0.1～2mm复合材料133g，小于0.1mm复合材料19g，氮化硼粉(粒径为10μm)4g，TPU热熔胶粉末6g备用；
(2)将三种不同粒径的复合材料、氮化硼粉和TPU热熔胶粉末混合均匀；
(3)混合物料边搅拌边升温至90℃后，于60rpm搅拌2小时，按照图1所示的填充工艺趁热注入降温餐具中。
所述膨胀石墨复合48℃相变石蜡颗粒的制备方法为：
将粒径为150目的膨胀石墨和粒径为500μm的相变石蜡粉末混合，于70℃加热30min；经挤出机挤出，得到不同粒径的膨胀石墨复合48℃相变材料颗粒。
使用差示扫描量热仪测试所述相变材料的相变温度为48℃，相变潜热为169J/g，使用激光导热仪测试导热系数为3.5W/mK。
实施例3
(1)膨胀石墨(粒径为200目，膨胀石墨的质量百分含量为15％)复合60℃相变石蜡后由螺杆挤压造粒机造粒，其中，取颗粒粒径2～4mm复合材料78.4g，0.1～2mm复合材料98g，小于0.1mm复合材料19.6g，氮化硼粉(粒径为30μm)2g，PA热熔胶粉末2g备用；
(2)将三种不同粒径的材料、氮化硼粉和PA热熔胶粉末混合均匀；
(3)混合物料边搅拌边升温至120℃后，于100rpm搅拌2小时，趁热注入降温餐具中。
所述膨胀石墨复合60℃相变石蜡颗粒的制备方法为：
将粒径为200目的膨胀石墨和粒径为350μm的相变石蜡粉末混合，于90℃加热60min；经挤出机挤出，得到不同粒径的膨胀石墨复合60℃相变材料颗粒。
使用差示扫描量热仪测试所述相变材料的相变温度为60℃，相变潜热为165J/g，使用激光导热仪测试导热系数为3.4W/mK。
对比例1
与实施例1的区别为膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的粒径均为2～4mm；
所得相变材料的相变温度为40℃，相变潜热为158J/g，导热系数为3.0W/mK。
对比实施例1和对比例1的结果可以看出：不同粒径的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒按照一定的比例混合后，小颗粒可以填充到大颗粒间隙中，颗粒和颗粒接触面积更大，从而导热通路更多，有利于提高相变材料的导热系数。
对比例2
与实施例1的区别为天然鳞片石墨粉为12g，EVA热熔胶粉末为8g。
所得相变材料的相变温度为40℃，相变潜热为158J/g，导热系数为3.65W/mK。
对比实施例1和对比例2的结果可以看出：天然鳞片石墨粉用量的增加，提高了相变材料的导热系数；但是，EVA热熔胶粉用量的减少，使最终相变材料的流变性变差；所以，综合考虑相变材料的导热系数和流变性，控制导热粉和热熔胶粉的质量百分含量分别为1～5％。
对比例3
与实施例1的区别在于，膨胀石墨在膨胀石墨复合相变石蜡颗粒中的质量百分含量为5％。
所得相变材料的相变温度为40℃，相变潜热为180J/g；导热系数为2.1W/mK。
对比例4
与实施例1的区别在于，膨胀石墨在膨胀石墨复合相变石蜡颗粒中的质量百分含量为35％。
所得相变材料的相变温度为40℃，相变潜热为125J/g；导热系数为5.9W/mK。
对比实施例1和对比例3和4的结果可以看出：膨胀石墨百分含量的增加，提高了复合材料的导热系数，但是也减小了相变潜热；所以，综合考虑复合材料的相变潜热和导热系数，控制膨胀石墨在膨胀石墨复合相变石蜡颗粒中的质量百分含量在8～30％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种相变材料在降温餐具中的应用，其特征在于，所述相变材料应用于降温餐具中时，成型的方式为热压成型；所述相变材料包括以下质量百分含量的原料：膨胀石墨复合相变石蜡颗粒90～98％，导热粉1～5％和热熔胶粉1～5％；
以膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量为100％计；所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒包括：
粒径为2～4mm的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量百分含量为20～40％；
粒径为0.1～2mm的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量百分含量为50～70％；
粒径小于0.1mm的膨胀石墨复合相变石蜡颗粒的质量百分含量为5～15％；
所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒中膨胀石墨的质量百分含量为10～25％；
所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒由包括以下步骤的方法制备得到：
将膨胀石墨和相变石蜡粉末混合，加热后挤出，得到所述膨胀石墨复合相变石蜡颗粒；
所述膨胀石墨的粒径为50～500目；所述相变石蜡粉末的粒径≤300μm；
所述加热的温度为高出相变石蜡相变温度10～30℃，时间为0.5～1h。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述导热粉包括天然鳞片石墨粉和/或氮化硼粉。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述热熔胶粉包括乙烯醋酸乙烯酯热熔胶粉、聚氨酯热熔胶粉和尼龙热熔胶粉中的一种或几种。
Priority Applications (1)
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