CN113323170A - 一种生物质基控温板材的制备方法及制备的控温板材 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物质基控温板材的制备方法，属于新型能源材料领域。首先利用氢氧化钠、过氧化氢脱除木质板材中的木素，增加其比表面积，然后浸入熔点在23‑35℃范围内的生物质复合蜡中，真空干燥后得到适宜人类居住环境需求的生物质基控温板材；原料完全来源于自然界中，材料可完全降解，避免了二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质基控温板材的制备方法，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，难以在环保型被动房中大规模推广应用。
发明内容
针对现阶段生产工艺复杂、成本较高、熔点明显高于人类适宜居住的环境的问题，利用氢氧化钠、过氧化氢脱除木质板材中的木素，增加其比表面积，然后浸入熔点在23-35℃范围内的生物质复合蜡中，真空干燥后得到适宜人类居住环境需求的生物质基控温板材。
一种生物质基控温板材的制备方法，包括如下步骤：
（1）多孔板材的制备：将木板、氢氧化钠、水混合，蒸煮后取出，置于过氧化氢溶液中，继续蒸煮，得到多孔板材；
（2）生物质复合蜡的制备：将大豆蜡、植物油混合搅拌；
（3）生物质基控温木板的制备：将步骤（1）得到的木板浸入步骤（2）的生物质复合蜡中，取出，干燥，得生物质基控温木板。
所述步骤（1）的木板的用量为10-30%；氢氧化钠的用量为3-8%；过氧化氢的浓度为3-6%。
所述步骤（1）的木板为梧桐木、泡桐木、轻木中的至少一种。
所述步骤（2）的大豆蜡的用量为20-50%；植物油的用量为50-80%。
所述步骤（2）的植物油为大豆油、葵花籽油、玉米油、花生油、蓖麻油中的至少一种。
所示步骤（2）的混合温度为40-60℃；混合时间为10-20min。
所述步骤（3）的浸渍时间为60-90min；干燥温度为40-50℃；干燥时间为3-5h。
上述制备方法制备的得到的生物质基控温板材。
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
本发明是利用天然木质板材、生物质蜡和植物油混合物制备适宜于人类居住环境的控温板材，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
本发明首先利用较为成熟的氢氧化钠蒸煮联合过氧化氢脱木素工艺得到多孔木片，然后将其浸入相变温度适宜的生物质复合蜡中，得到控温效果优异的生物质基控温木板。
（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板材，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为生物质相变板材的差式扫描量热（DSC）图；
图2为多孔木材及生物质相变板材的扫描电镜图（SEM）。
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份梧桐木板、1份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮4小时后取出，再置于1份过氧化氢、99份水的反应釜中，70℃蒸煮4小时后取出干燥得多孔木板；将10份大豆蜡、90份大豆油加入到50℃的反应釜中，50r/min搅拌混合10min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍10分钟，取出于真空干燥箱中50℃干燥4小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：16～26 ℃，节能率为10%，使用寿命10年。
实施例2
将5份梧桐木板、5份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮4小时后取出，再置于5份过氧化氢、95份水的反应釜中，90℃蒸煮4小时后取出干燥得多孔木板；将10份大豆蜡、90份大豆油加入到50℃的反应釜中，50r/min搅拌混合10min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍30分钟，取出于真空干燥箱中50℃干燥4小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：16～26 ℃，节能率为20%，使用寿命10年。
实施例3
将5份梧桐木板、5份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮6小时后取出，再置于5份过氧化氢、95份水的反应釜中，90℃蒸煮4小时后取出干燥得多孔木板；将20份大豆蜡、80份大豆油加入到50℃的反应釜中，50r/min搅拌混合10min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍60分钟，取出于真空干燥箱中50℃干燥4小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：18～28 ℃，节能率为25%，使用寿命15年。
实施例4
将5份梧桐木板、8份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮6小时后取出，再置于5份过氧化氢、95份水的反应釜中，90℃蒸煮6小时后取出干燥得多孔木板；将25份大豆蜡、75份大豆油加入到50℃的反应釜中，50r/min搅拌混合10min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍60分钟，取出于真空干燥箱中50℃干燥6小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：20～30 ℃，节能率为30%，使用寿命15年。
实施例5
将8份梧桐木板、10份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮8小时后取出，再置于8份过氧化氢、95份水的反应釜中，90℃蒸煮6小时后取出干燥得多孔木板；将30份大豆蜡、70份大豆油加入到50℃的反应釜中，50r/min搅拌混合10min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍90分钟，取出于真空干燥箱中60℃干燥6小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：20～35 ℃，节能率为35%，使用寿命15年。
实施例6
将5份泡桐木板、8份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮6小时后取出，再置于5份过氧化氢、95份水的反应釜中，90℃蒸煮6小时后取出干燥得多孔木板；将25份大豆蜡、75份大豆油加入到50℃的反应釜中，50r/min搅拌混合10min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍60分钟，取出于真空干燥箱中50℃干燥6小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：20～30 ℃，节能率为30%，使用寿命15年。
实施例7
将5份泡桐木板、8份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮6小时后取出，再置于8份过氧化氢、95份水的反应釜中，90℃蒸煮6小时后取出干燥得多孔木板；将25份大豆蜡、75份花生油加入到60℃的反应釜中，50r/min搅拌混合20min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍90分钟，取出于真空干燥箱中50℃干燥6小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：20～32 ℃，节能率为32%，使用寿命15年。
实施例8
将5份泡桐木板、8份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮6小时后取出，再置于8份过氧化氢、95份水的反应釜中，90℃蒸煮6小时后取出干燥得多孔木板；将50份大豆蜡、50份花生油加入到60℃的反应釜中，50r/min搅拌混合20min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍90分钟，取出于真空干燥箱中50℃干燥6小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：25～35 ℃，节能率为28%，使用寿命10年。
对比例1
将8份梧桐木板、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮8小时后取出，再置于8份过氧化氢、95份水的反应釜中，90℃蒸煮6小时后取出干燥得多孔木板；将30份大豆蜡、70份大豆油加入到50℃的反应釜中，50r/min搅拌混合10min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍90分钟，取出于真空干燥箱中60℃干燥6小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：20～35 ℃，节能率为10%，使用寿命15年。
对比例2
将8份梧桐木板、10份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮8小时后取出，再置于装有100份水的反应釜中，90℃蒸煮6小时后取出干燥得多孔木板；将30份大豆蜡、70份大豆油加入到50℃的反应釜中，50r/min搅拌混合10min得生物质复合蜡；将多孔木板置于生物质复合蜡中，浸渍90分钟，取出于真空干燥箱中60℃干燥6小时得生物质基控温板材。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：20～35 ℃，节能率为20%，使用寿命15年。
对比例3参考实施例5设置的生物质复合蜡浸渍处理
将8份梧桐木板、10份氢氧化钠、其余为水，加入到90℃的反应釜中，开启搅拌，设定搅拌速度为30r/min，蒸煮8小时后取出，再置于8份过氧化氢、95份水的反应釜中，90℃蒸煮6小时后取出干燥得多孔木板。将材料安装于建筑物的墙壁夹层中，控温范围：随环境温度变化，节能率为0，使用寿命15年。
表1实施例及对比例结果比较
Claims (8)
1.一种生物质基控温板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）多孔板材的制备：将木板、氢氧化钠、水混合，蒸煮后取出，置于过氧化氢溶液中，继续蒸煮，得到多孔板材；
（2）生物质复合蜡的制备：将大豆蜡、植物油混合搅拌；
（3）生物质基控温木板的制备：将步骤（1）得到的木板浸入步骤（2）的生物质复合蜡中，取出，干燥，得生物质基控温木板。
2.根据权利要求1所述的生物质基控温板材的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的木板的用量为10-30%；氢氧化钠的用量为3-8%；过氧化氢的浓度为3-6%。
3.根据权利要求1所述的生物质基控温板材的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的木板为梧桐木、泡桐木、轻木中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的生物质基控温板材的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）的大豆蜡的用量为20-50%；植物油的用量为50-80%。
5.根据权利要求1所述的生物质基控温板材的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）的植物油为大豆油、葵花籽油、玉米油、花生油、蓖麻油中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的生物质基控温板材的制备方法，其特征在于，所示步骤（2）的混合温度为40-60℃；混合时间为10-20min。
7.根据权利要求1所述的生物质基控温板材的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）的浸渍时间为60-90min；干燥温度为40-50℃；干燥时间为3-5h。
8.权利要求1所述的制备方法制备的得到的生物质基控温板材。
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