CN112940684A - 一种跨季节定形相变储能材料及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨季节定形相变储能材料的制备方法。该方法采用多元醇类相变物质作为蓄热单元，纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯胺等聚合物及其交联网络作为支撑材料，制备得到可长期储热且放热可控的跨季节定形相变储能材料。本方法所制备的跨季节定形相变储能材料具有相变潜热高，储能稳定性好、热稳定性好、操作简单和成本低廉的优点，易于其在太阳能热能存储、废热回收利用等方面的应用。

Description

一种跨季节定形相变储能材料及其制备和应用
技术领域
本发明属于相变储能材料及其制备技术领域，涉及了一种跨季节定形相变储能材料的设计及其制备技术。
背景技术
太阳辐射热能的间歇性和不稳定性等特点，使得热能供、需之间存在不匹配，造成太阳能利用低效率、高成本问题突出，因此开发可跨季节相变储能技术、提高能源利用效率对我国经济发展意义重大。相变储热材料在其发生相变过程中能够吸收或者释放大量的相变潜热，储热量远高于传统的显热储能材料；相变过程可逆性好、性能稳定，可循环使用；且高效跨季节相变储能材料能够储存数周或数月的热量，在提高能源利用率和解决能源时空供需不匹配的问题上优于显热储热和化学方法储热。
近年来，目前跨季节相变储能材料应用较多的是无机水合盐体系(中国专利CN103712255 B)，其储热密度高、价格低廉，但无机水合盐对金属具有较强的腐蚀性，且存在相分离和严重过冷现象。而多元醇类相变材料对金属设备无腐蚀且具有良好的成核特性、化学特性和热稳定性；此外，多元醇类相变材料之一的糖醇是天然产物，原料廉价易得；且具有无毒、非易燃、无腐蚀性等优点，是一种性能优异的跨季节相变储能材料，在废热传输、太阳能蓄热、汽车废热循环系统领域备受关注。因此本发明的重点在于通过物理共混制备多元醇基跨季节定形相变储能材料，该材料具有制备工艺简单、储热密度高、放热可控，无泄漏问题，并具有一定的柔韧性，适用于太阳能热能储存、废热传输等领域。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种跨季节定形相变储能材料的制备方法，所得材料可长时间稳定高效储热，且具有优越的化学稳定性、热稳定性和安全性；可用于太阳能热能储存或废热传输等。
本发明采用的技术方案为：
(1)将多元醇类相变物质加入水中充分搅拌，配制成质量百分比浓度为10～35％的均相糖醇水溶液；
(2)将纤维素等聚合物加入水中充分搅拌，配制成质量百分比浓度为1～10％的均相水溶液；
(3)用氮气吹扫排除步骤(2)体系内的空气，加入戊二醛交联剂等改性材料，在氮气氛围中充分反应，形成质量百分比浓度为1％～10％的均相交联聚合物水溶液或水凝胶；
(4)将步骤(1)中制备的糖醇水溶液加入步骤(3)中所得到的改性聚合物水溶液中，充分搅拌，获得均相糖醇聚合物水溶液共混体系；
(5)将步骤(4)制备的糖醇聚合物水溶液真空脱泡后，将其涂敷在聚四氟乙烯基板上或不同形状的模具中，在温度为60～80℃条件下经真空干燥或常压下80～120℃条件下进行烘干，制备得到跨季节定形相变储能材料。
优选地，所述的一种跨季节定形相变储能材料的制备方法，其特征在于：所述多元醇类相变物质为山梨糖醇、赤藓糖醇、甘露醇、肌醇、木糖醇、麦芽糖醇、新戊二醇及其共混物。
优选地，所述的一种跨季节定形相变储能材料的制备方法，其特征在于：所述聚合物材料之一的纤维素为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素及纤维素纳米纤维水凝胶。
优选地，所述的一种跨季节定形相变储能材料的制备方法，其特征在于：所述聚合物材料聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯胺等为不同分子量的各类聚合物。
所述的一种跨季节定形相变储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中加入改性材料反应时间为0.5～6小时，反应温度为室温。
所述的一种跨季节定形相变储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中烘干时间为2～10小时。
该方法采用多元醇类相变物质作为蓄热单元，纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯胺等聚合物及其交联网络作为支撑材料，制备得到可长期储热且放热可控的跨季节定形相变储能材料。本方法所制备的跨季节定形相变储能材料具有相变潜热高，储能稳定性好、热稳定性好、操作简单和成本低廉的优点，易于其在太阳能热能存储、废热回收利用等方面的应用。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明所制备的跨季节定形相变储能材料具有优异的储热性能，其具有放热可控性能，可适用于热能的长期储存。解决了现有热能被动式存储问题，同时发明的跨季节定形相变储能材料制备工艺简单、操作方便、产品无毒、无污染、可回收再利用、易实现大规模工业生产。
附图说明
图1为实施例1中所制备的跨季节定形相变储能材料的热分析曲线。
具体实施方式
实施例1
(1)配制质量百分比浓度为30％的赤藓糖醇水溶液；
(2)配制质量百分比浓度为2％的羟丙基纤维素(重均分子量在100000)水溶液和聚乙烯醇(重均分子量在100000)水溶液，并按2:1质量比共混，用氮气吹扫除去体系内的空气，随后加入戊二醛交联剂，其与羟丙基纤维素的质量比5:2，在氮气氛围中充分反应3小时，得到改性聚合物水溶液；
(3)在改性聚合物水溶液中加入赤藓糖醇水溶液，其中改性聚合物与赤藓糖醇质量比为10:90，充分搅拌，形成均相水溶液；
(4)将一定量的步骤(3)所制备水溶液真空脱泡后均匀涂敷在聚四氟乙烯基板上，在80℃，6小时烘干，得到负载赤藓糖醇相变材料的跨季节定形相变储能材料。
所制备的跨季节定形相变储能材料为半透明膜，热分析曲线如图1所示，熔融焓为293J/g，结晶焓为160J/g，且降温过程中无结晶能实现放热可控。
实施例2
(1)配制质量百分比浓度为30％的木糖醇水溶液；
(2)配制质量百分比浓度为5％的聚丙烯酸钠(重均分子量在150000)水溶液，用氮气吹扫除去体系内的空气，随后加入甘羟铝交联剂，其与聚丙烯酸钠质量比为1:10，在氮气氛围中反应5小时，得到改性聚合物水溶液；
(3)在改性聚合物水溶液中加入木糖醇水溶液，改性聚合物与木糖醇质量比为10:90，充分搅拌，形成均相水溶液；
(4)将一定量的步骤(3)所制备水溶液真空脱泡后均匀涂敷在聚四氟乙烯基板上，在80℃，6小时烘干，得到负载木糖醇相变材料的跨季节定形相变储能材料。
所制备的跨季节定形相变储能材料熔融焓为214J/g，结晶焓为127J/g，且降温过程中无结晶能实现放热可控。
实施例3
(1)配制质量百分比浓度为30％的甘露醇和赤藓糖醇水溶液，其中甘露醇：赤藓糖醇的质量比为1:4；
(2)配制质量百分比浓度为5％的纤维素(重均分子量在15000)水溶液和聚乙烯胺(重均分子量在10000)水溶液，并按1:1质量比共混，用氮气吹扫除去体系内的空气，随后加入戊二醛交联剂，其与纤维素的质量比为5:2，在氮气氛围中充分反应3小时；
(3)在聚乙烯胺改性纤维素水溶液中加入赤藓糖醇水溶液，其中聚乙烯胺改性纤维素与糖醇相变材料质量比为10:90，充分搅拌，形成均相水溶液；
(4)将一定量的步骤(3)所制备水溶液真空脱泡后均匀涂敷在聚四氟乙烯基板上，在80℃，6小时烘干，得到负载糖醇相变材料的跨季节定形相变储能材料。
所制备的跨季节定形相变储能材料，熔融焓为186J/g，结晶焓为142J/g，且降温过程中无结晶能实现放热可控。
实施例4
(1)配制质量百分比浓度为30％的赤藓糖醇水溶液；
(2)配制质量百分比浓度为3％的聚乙烯醇(重均分子量在100000)水溶液和聚乙烯胺(重均分子量在10000)水溶液，并按1:2质量比共混，用氮气吹扫除去体系内的空气，随后加入戊二醛交联剂，其与聚乙烯胺的质量比为5:2，在氮气氛围中充分反应3小时；
(3)在改性聚合物水溶液中加入赤藓糖醇水溶液，其中改性聚合物与赤藓糖醇质量比为10:90，充分搅拌，形成均相水溶液；
(4)将一定量的步骤(3)所制备水溶液真空脱泡后均匀涂敷在聚四氟乙烯基板上，在80℃，6小时烘干，得到负载赤藓糖醇相变材料的跨季节定形相变储能材料。
所制备的跨季节定形相变储能材料熔融焓为275J/g，结晶焓为124J/g，且降温过程中无结晶能实现放热可控。
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 (9)

1.一种跨季节定形相变储能材料，所述跨季节定形相变储能材料中包括相变材料、聚合物支撑材料、改性材料；
所述相变材料为糖醇类相变物质及其共晶物中的一种或二种以上；
所述聚合物支撑材料为纤维素、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯胺等聚合物中的一种或二种以上；
改性材料为戊二醛交联剂、甘羟铝交联剂、酒石酸促进剂等中的一种或二种以上。
2.根据权利要求1所述的跨季节定形相变储能材料，其特征在于：所述糖醇类相变物质为山梨糖醇、赤藓糖醇、甘露醇、肌醇、木糖醇、麦芽糖醇、新戊二醇及其共混物中的一种或二种以上。
3.根据权利要求1所述的跨季节定形相变储能材料，其特征在于：
所述聚合物材料中的纤维素为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素及纤维素纳米纤维水凝胶中的一种或二种以上；
所述聚合物材料中纤维素、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯胺等为重均分子量在10000～15,0000的各类聚合物中的一种或二种以上。
4.根据权利要求1、2或3所述的跨季节定形相变储能材料，其特征在于：
糖醇类相变物质于储能材料中的质量含量为50～95％，聚合物材料于储能材料中的质量含量为3～40％，改性材料于储能材料中的质量含量为0.5～10％；
糖醇类相变物质于储能材料中的质量含量优选为80～90％；聚合物材料于储能材料中的质量含量优选为7～15％，改性材料于储能材料中的质量含量优选为1～5％。
5.根据权利要求1所述的跨季节定形相变储能材料，其特征在于：
所述储能材料中还含有助剂，所述助剂为水，相变材料、聚合物支撑材料和改性材料三者于水中的固含量为150～200mg/mL。
6.一种权利要求1-5任一所述的跨季节定形相变储能材料的制备方法，其特征在于：
其中，所述跨季节定形相变储能材料的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)将糖醇类相变物质加入水中充分搅拌，配制成质量百分比浓度为10～35％的均相糖醇水溶液；
(2)将纤维素等聚合物加入水中充分搅拌，用氮气吹扫排除体系内的空气，加入改性材料，在氮气氛围中充分反应，制备得到质量百分比浓度为1％～10％的改性聚合物水溶液或水凝胶；将步骤(1)中制备的糖醇水溶液加入上述中所得到的聚合物水溶液中，充分搅拌，获得均相糖醇聚合物水溶液共混体系；
或，将纤维素等聚合物(质量百分比浓度为1％～10％)加入水中充分搅拌，将步骤(1)中制备的糖醇水溶液加入其中，用氮气吹扫排除体系内的空气，加入改性材料，在氮气氛围中充分反应，获得均相糖醇聚合物水溶液共混体系；(3)将步骤(2)制备的糖醇聚合物水溶液真空脱泡后，将水溶液涂敷在聚四氟乙烯基板上或不同形状的模具中，在温度为60～80℃条件下经真空干燥或常压下80～120℃条件下进行烘干，制备得跨季节定形相变储能材料。
7.根据权利要求6所述的一种跨季节定形相变储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中加入改性材料反应时间为0.5～6小时，反应温度为室温。
8.根据权利要求6所述的一种跨季节定形相变储能材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中烘干时间为2～10小时。
9.一种权利要求1-5任一所述的储能材料在进行相变储能过程中的应用。
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