CN112940688B - 一种生物质基控温材料的制备方法及制备得到的控温材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纯生物质基控温材料的制备方法，属于新型能源材料领域。本发明首先利用高碘酸盐将资源丰富、价格低廉的高得率浆纤维进行表面氧化造孔，增加其比表面积，然后与熔点在26‑35℃范围内的生物质基有机相变材料进行机械搅拌共混，得到具有适宜于人类居住环境需求的纯生物质基控温材料。本发明原料来源广泛、成本较为低廉、生产工艺简单，产品控温效果好、使用寿命长，可大规模应用于新型节能建筑物中，创造较大的经济效益和社会效益，符合利用新技术和基础新材料进行传统产业升级和新旧动能转换的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种纯生物质基控温材料的制备方法，属于新型能源材料领域。
背景技术
近年来，随着经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，人们对办公居住环境内热舒适性的要求越来越高，导致建筑能耗（空调、采暖、通风等）和温室气体排放量大幅度增加。据估计，全球建筑能耗约占人类总能耗的30-40%。为了解决这些问题，人们广泛探索新的高效节能技术。在这些解决方案中，相变储能材料因其储能容量大、相变温度恒定和体积变化小等优势而被认为是最有前途的被动式储能方法之一，在一定程度上解决了能源利用时空不匹配的矛盾。
根据相变材料组成的不同，通常分为有机相变材料和无机相变材料。一般来说，无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐和金属合金等，其优点是使用广泛、价格便宜、导热系数大、熔解热大、单位体积储热密度大。但其存在两方面的缺点：一是过冷现象，即物质冷凝到“冷凝点”时并不结晶，而是到“冷凝点”以下一定温度是才开始结晶的现象。过冷现象会影响热量的及时释放和利用，它与材料性质、冷却速度及杂质种类和含量有关。二是“相分离”，即在逆相变过程中，沉降到底部的脱水盐无法和结晶水结合重新结晶，使得相变过程不可逆，形成分层现象。相分离现象会造成储能材料蓄能能力的下降，缩短使用寿命。且大部分的无机盐都具有一定的腐蚀性，限制了其应用范围和使用效果。
有机相变材料主要包括石蜡、烷烃、脂肪酸和醇类等，大多数情况下性能稳定，固体成型性好，腐蚀性低，毒性低，成本低，无过冷和相分离现象，在航空、航天、微电子等高科技系统以及房屋节能等各个领域得到了广泛应用。但由于有机材料的导热系数相对较小，且固-液相变过程中易出现泄露问题，在一定程度上也制约了其实际应用。近年来，国内外的研究主要集中在增加有机相变储热材料的导热性能，以提高能源的利用率。相变材料的封装不仅能为储能系统热量传递提供更大的表面积，而且可以保护其不受外界环境影响，这对于实际应用至关重要。封装方式主要包括：利用毛细力的吸附作用，将固-液相变材料吸附到多孔介质中；或利用微胶囊化技术，将固-液相变材料包封在性能稳定的膜材料中。固-液相变材料通过封装形成复合材料后，能有效解决相变材料发生相变时的流动性和易泄露问题，同时能使相变材料与外部环境隔离，延长材料的使用寿命。
CN110452667A公开了一种石墨烯增强相变材料制备方法和石墨烯增强相变材料，该方法首先利用溶剂置换和常压干燥制备石墨烯水凝胶，然后将有机相变材料填充到石墨烯内部得到石墨烯增强的相变材料。CN105112021B公开了一种具有储热放热性能的节能型三维石墨烯骨架复合相变材料及其制备方法，通过将脂肪酸/脂肪醇等有机相变材料与石墨烯物理共混，以自组装的方法制备了具有三维骨架结构的石墨烯复合相变材料。CN100593559公开了一种天然木棉纤维管包封的相变材料及其封装方法，通过将无机相变材料（结晶水合盐）或有机相变材料（正烷烃）封装到木棉纤维管壁中，得到了具有相变调温功能的多种相变材料。CN111139038A公开了一种多元脂肪酸-脂肪醇/膨胀珍珠岩相变材料及制备方法，以多元脂肪酸-脂肪醇为相变材料，完全干燥的膨胀珍珠岩为载体材料，通过多孔基吸附法将不同质量分数的多元脂肪酸-脂肪醇吸附到膨胀珍珠岩的孔隙中，得到建筑用多元脂肪酸-脂肪醇与膨胀珍珠岩复合相变储热材料。CN111960401A公开了一种生物质基相变潜热储能材料及其制备方法，属于相变潜热存储领域。本发明首先经高温碳化制得丝瓜多孔碳材料，然后经真空浸渍固-液相变材料，制备了生物质基相变潜热储能材料。
综合来看，现有专利发明大多是基于石墨烯、生物质碳及其它多孔材料吸附石蜡、脂肪酸、脂肪醇后制备的相变材料，生产工艺复杂、成本较高，且制备的相变材料的熔点明显高于人类适宜居住的环境，难以在环保型建筑中大规模推广应用。
发明内容
本发明首先利用高碘酸钠将资源丰富、价格低廉的高得率浆纤维进行表面氧化处理，然后与熔点在26-32℃范围内的生物质基有机相变材料进行机械搅拌共混，得到具有适宜于人类居住环境需求的纯生物质基控温材料。
一种生物质基控温材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备生物质多孔材料：高得率浆经高碘酸盐氧化、去离子水清洗；
（2）将生物质多孔材料、相变控温剂加入反应釜中进行机械搅拌均匀得浆料；
（3）待步骤（1）得到的浆料进行灌装封尾，得具有纯生物质基相变控温材料成品。
所述步骤（1）的高得率浆为杨木、桉木、竹浆中的至少一种。
所述步骤（2）的相变控温剂为椰子蜡与亚麻油、棉籽油、菜籽油中的至少一种。
所述步骤（2）的机械搅拌过程为：搅拌速度在100～800 r/min；混合时间在10～240 min。
上述生物质基控温材料的制备方法制备得到的控温材料的应用，其特征在于，应用于建筑物墙体。
本发明与现有相变材料相比，具有以下的明显优点：
（1）原料来源广泛、成本低廉、清洁环保
本发明是利用高得率浆、生物质相变控温剂制备适宜于人类居住环境的控温材料，原料完全来源于自然界中，成本相对较低，且材料可完全降解，避免了二次污染。
（2）制备工艺简单，产品性能稳定
高碘酸盐氧化是一种重要的、高度专一的选择性氧化反应，它没有明显的副反应，能使纤维素链中葡萄糖环上的C2-C3键断开，使原来的羟基转化成具有高还原性的二醛基，得到双醛纤维素。部分氧化的纤维素更有利于对相变控温剂的吸附。
（3）产业化生产
本发明首次提出了基于纯生物质基原料制备的复合控温材料，有利于新型建筑节能材料更深入的产业化开发。
附图说明
图1为实施例1生物质相变材料的差式扫描量热（DSC）图；
图2为高得率浆经高碘酸钠氧化前（a）后（b）的扫描电镜；
图3为生物质相变材料的红外热成像图；a、外界温度 35℃时；b、外界温度35℃，放入4小时后；c、外界温度10℃时；d、外界温度10℃，放入4小时后。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明；除另有指明，实施例中的所述份数均以质量计。
实施例1
将5份杨木浆、5份高碘酸钠、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的杨木浆。
将5份氧化杨木浆、90份椰子蜡和5份亚麻油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度10～35 ℃时，控温范围：18～30 ℃，节能率为35%，使用寿命5年。
实施例2
将5份杨木浆、15份高碘酸钾、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的杨木浆。
将10份氧化杨木浆、80份椰子蜡和10份亚麻油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度10～35℃时，控温范围：16～28 ℃，节能率为30%，使用寿命10年。
实施例3
将5份杨木浆、10份高碘酸钠、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的杨木浆。
将20份氧化杨木浆、70份椰子蜡和10份亚麻油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度10～35℃时，控温范围：16～28 ℃，节能率为30%，使用寿命15年。
实施例4
将5份桉木浆、10份高碘酸钾、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的桉木浆。
将20份氧化桉木浆、70份椰子蜡和10份亚麻油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米10千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度10～35℃时，控温范围：16～28 ℃，节能率为40%，使用寿命15年。
实施例5
将5份竹浆、10份高碘酸钠、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的竹浆。
将30份氧化竹浆、60份椰子蜡和10份亚麻油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度10～35 ℃时，控温范围：16～26 ℃，节能率为20%，使用寿命15年。
实施例6
将5份桉木浆、10份高碘酸钠、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的桉木浆。
将20份氧化桉木浆、70份椰子蜡和10份棉籽油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度10～35℃时，控温范围：16～28 ℃，节能率为30%，使用寿命15年。
实施例7
将5份桉木浆、10份高碘酸钠、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的桉木浆。
将20份氧化桉木浆、70份椰子蜡和10份菜籽油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度10～35℃时，控温范围：16～28 ℃，节能率为30%，使用寿命15年。
实施例8
将5份桉木浆、10份高碘酸钠、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的桉木浆。
将20份氧化桉木浆、70份椰子蜡和10份菜籽油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度15～40℃时，控温范围：18～32 ℃，节能率为40%，使用寿命15年。
对比例1参考实施例8设置的对比例相变控制剂的比例变化
将5份桉木浆、10份高碘酸钠、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的桉木浆。
将20份氧化桉木浆、10份椰子蜡和70份菜籽油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度15～40℃时，控温范围：16～30 ℃，节能率为10%，使用寿命10年。
对比例2参考实施例8减小搅拌速度、延长搅拌时间
将5份桉木浆、10份高碘酸钠、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的桉木浆。
将20份氧化桉木浆、70份椰子蜡和10份菜籽油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为100 r/min，搅拌120 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为100克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度15～40℃时，控温范围：18～32 ℃，节能率为40%，使用寿命15年。
对比例3参考实施例8减少单位灌装量
将5份桉木浆、10份高碘酸钠、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，充分洗涤得高碘酸钠氧化的桉木浆。
将20份氧化桉木浆、70份椰子蜡和10份菜籽油加入到50℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为200 r/min，搅拌60 min后将混合好的浆料输送到灌装机进行灌装，每份产品质量为50克。按照每平米5千克的设计量，安装到建筑物内墙。在某地环境温度15～40 ℃时，控温范围：18～32 ℃，节能率为40%，使用寿命15年。
实施效果例
将实施例1-8及对比例1-3制备的控温材料安装到建筑物内墙，性能分析见表1。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (3)
1.一种生物质基控温材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备生物质多孔材料：高得率浆经高碘酸盐氧化、去离子水清洗；
（2）将生物质多孔材料、相变控温剂加入反应釜中进行机械搅拌均匀得浆料；
（3）将步骤（2）得到的浆料输送到灌装机进行灌装，得具有纯生物质基相变控温材料成品；
所述生物质基控温材料应用于建筑物墙体；
所述高得率浆为杨木浆；
步骤（1）高得率浆经高碘酸盐氧化的过程为：将5份杨木浆、15份高碘酸钾、85份水加入反应釜中，室温下搅拌1小时后，得到氧化杨木浆；
步骤（2）的生物质多孔材料为10份氧化杨木浆；步骤（2）的相变控温剂为80份椰子蜡和10份亚麻油。
2.根据权利要求1所述的生物质基控温材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）的机械搅拌过程为：搅拌速度在100～800 r/min；混合时间在10～240 min。
3.采用权利要求1所述的生物质基控温材料的制备方法制备得到的控温材料的应用，其特征在于，应用于建筑物墙体。
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