CN114032073A - 一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法 - Google Patents

一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及复合相变材料领域，公开了一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，包括由浸渍有石蜡的矿渣膨珠组成的内核结构、包覆于内核外表面的水性环氧树脂以及、粉体封装层；矿渣膨珠的孔隙率为0‑80％，且孔隙之间呈连通或半连通。本发明将相变材料掺入到现有的建筑材料中，尤其是作为混凝土的粗细集料制成相变蓄能围护结构，可以大大增强围护结构的蓄热功能，当环境温度升高时，复合相变材料中的石蜡通过高导热率的矿渣膨珠与环境快速产生热交换，吸收外界热量由固态变为液态；当外界环境温度降低时，复合相变材料中的石蜡快速由液态转化为固态，向环境释放热量；起到维持室内温度稳定的作用，能够减少控温设备运行，降低能耗。

Description

一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合相变材料领域，具体涉及一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法。
背景技术
能源是人类社会生存和发展的血液，在电力供电引起的能源和环境危机越来越被人们关注的情况下，如何开发出新的绿色能源以及提高能源的利用率显得尤为重要。相变储能材料可以从环境中吸收能量和向环境中释放能量，较好地解决了能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，从而有效地提高了能量的利用率。同时相变储能材料在相变过程中温度基本保持恒定，能够用于调控周围环境温度，并且能重复使用。
将相变材料掺入到现有的建筑材料中，制成相变蓄能围护结构，可以大大增强围护结构的蓄热功能，使得少量的材料就可以储存大量的热量。但是现有的应用于建筑材料中的相变储能材料的抗压性能较差，且导热系数偏低，不利于环境热量与相变储能材料之间快速进行热交换，需要通过控温设备来维持建筑物内的温度恒定。
发明内容
基于以上问题，本发明提供一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，将相变材料掺入到现有的建筑材料中，尤其是作为混凝土的粗细集料制成相变蓄能围护结构，可以大大增强围护结构的蓄热功能，当环境温度升高时，复合相变材料中的石蜡通过高导热率的矿渣膨珠与环境快速产生热交换，吸收外界热量由固态变为液态；当外界环境温度降低时，复合相变材料中的石蜡快速由液态转化为固态，向环境释放热量；起到维持室内温度稳定的作用，能够减少控温设备运行，降低能耗。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种矿渣膨珠复合相变材料，包括由浸渍有石蜡的矿渣膨珠组成的内核结构、包覆于内核外表面的水性环氧树脂以及附着于水性环氧树脂外表面的粉体封装层；所述矿渣膨珠的孔隙率为0-80％，且孔隙之间呈连通或半连通。
进一步地，粉体封装层中的粉体为水泥、粉煤灰、矿粉、石墨粉、碳纳米粉、石墨烯中的一种或多种按任意比例的混合物。
进一步地，矿渣膨珠的粒径为0.08-30mm。
为实现上述技术效果，本发明还提供了一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将固体石蜡加入容器中，在40-100℃温度下加热融化；
S2、将矿渣膨珠浸没于液体石蜡中，然后将带有液体石蜡和矿渣膨珠的容器放于真空干燥箱中，设置真空度为0.001-0.1MPa，浸渍10-60分钟后分离出浸渍有石蜡的矿渣膨珠；
S3、降低环境温度保证石蜡处于固相状态，降低环境温度保证石蜡处于固相状态，用矿渣膨珠浸渍石蜡后总质量0.1-200％的水性环氧树脂进行包覆，待其固化5min-24h；
S4、最后在水性环氧树脂完全固化之前，用矿渣膨珠浸渍石蜡后总质量0.1-400％的粉料进行封装，使其易于分离，获得矿渣膨珠复合相变材料。
进一步地，矿渣膨珠是由高炉渣出料口出料后，立即采用冷风将高炉渣向上吹起，获得的孔隙率为0-80％且孔隙之间呈连通或半连通的矿渣膨珠。
进一步地，步骤S3中浸渍有石蜡的矿渣膨珠包覆水性环氧树脂前，采用偶联剂对浸渍有石蜡的矿渣膨珠进行表面浸渍或喷涂，取出浸渍有石蜡的矿渣膨珠表面干燥后再进行水性环氧树脂的包覆。
进一步地，步骤S4中的粉体物料在对水性环氧树脂表面进行封装前，预先采用偶联剂对粉体进行浸渍或喷涂处理，或对水性环氧树脂封装后的球体进行浸渍或者喷涂后再进行粉体封装。
进一步地，偶联剂为硅烷偶联剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过将相变材料掺入到现有的建筑材料中，尤其是作为混凝土的粗细集料制成相变蓄能围护结构，可以大大增强围护结构的蓄热功能，当环境温度升高时，复合相变材料中的石蜡通过高导热率的矿渣膨珠基体与环境快速产生热交换，吸收外界热量由固态变为液态；当外界环境温度降低时，复合相变材料中的石蜡快速由液态转化为固态，向环境释放热量；起到维持室内温度稳定的作用，能够减少控温设备运行，降低能耗。
2.矿渣膨珠与石蜡复合，石蜡存在于矿渣膨珠的连通孔隙内，不仅增大单位质量矿渣膨珠对石蜡吸附量，矿渣膨珠作为支撑结构，改善了复合相变材料的抗压强度，同时矿渣膨珠基体导热系数高，有利于石蜡快速相变。
3.矿渣膨珠是由高炉渣出料口出料后，立即采用冷风将高炉渣向上吹起，获得的孔隙率为0-80％且孔隙之间呈连通或半连通的矿渣膨珠，使得少量的材料就可以储存大量相变石蜡，从而储存能量；而且在矿渣膨珠在浸渍石蜡时若采用低于常压的真空浸渍，可以增大石蜡在矿渣膨珠的连通孔道内的填充率，进一步增强了复合相变材料的储能量。
4.采用水泥、粉煤灰、矿粉、石墨粉、碳纳米粉或石墨烯进行封装隔离，在起到分离作用的同时，可以增大复合相变材料外壳的导热系数，尤其是石墨粉作为封装粉体能够快速将热量传递至内部的石蜡进行储存。
附图说明
图1为实施例1或2中制得的矿渣膨珠复合相变材料图；
图2为实施例1或2中矿渣膨珠的SEM图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
参见图1和图2，一种矿渣膨珠复合相变材料，其特征在于：包括由浸渍有石蜡的矿渣膨珠组成的内核结构、包覆于内核外表面的水性环氧树脂以及附着于水性环氧树脂外表面的粉体封装层；所述矿渣膨珠的孔隙率为0-80％，且孔隙之间呈连通或半连通；所述粉体封装层中的粉体为水泥或石墨粉中的一种或者两者按任意比例的混合物。
矿渣膨珠复合相变材料的制备步骤如下：
S1、将固体石蜡加入容器中，在40-100℃温度下加热融化；
S2、将矿渣膨珠浸没于液体石蜡中，然后将带有液体石蜡和矿渣膨珠的容器放于真空干燥箱中，设置真空度为0.001-0.1MPa，浸渍10-60分钟后分离出浸渍有石蜡的矿渣膨珠；
S3、降低环境温度保证石蜡处于固相状态，用矿渣膨珠浸渍石蜡后总质量0.1-200％的水性环氧树脂进行包覆，待其固化5min-24h；
S4、最后在水性环氧树脂完全固化之前，用矿渣膨珠浸渍石蜡后总质量0.1-400％的粉料进行封装，使其易于分离，获得矿渣膨珠复合相变材料。
在本实施例中，通过以上步骤制成粒径为0.08-30mm的矿渣膨珠复合相变材料，该相变材料掺入到现有的建筑材料中，尤其是作为混凝土的粗细集料制成相变蓄能围护结构，可以大大增强围护结构的蓄热功能，当环境温度升高时，复合相变材料中的石蜡通过高导热率的矿渣膨珠与环境快速产生热交换，由固态变为液态，吸收外界热量，保证室内温度稳定在一定范围内；当外界环境温度降低时，复合相变材料中的石蜡由液态转化为固态，释放热量，维持室内温度稳定在一定范围内，能够减少控温设备运行，降低能耗。
同时矿渣膨珠与石蜡复合，石蜡存在于矿渣膨珠的连通孔隙内，矿渣膨珠作为支撑结构，改善了复合相变材料的抗压强度，同时矿渣膨珠基体导热系数高，有利于石蜡快速相变。矿渣膨珠是由高炉渣出料口出料后，立即采用冷风将高炉渣向上吹起，获得的孔隙率为0-80％且孔隙之间呈连通或半连通的矿渣膨珠(如图1所示)，而且在矿渣膨珠在浸渍石蜡时若采用低于常压的真空浸渍，可以增大石蜡在矿渣膨珠的连通孔道内的填充率，进一步增强了复合相变材料的储能量。
本实施例中，树脂的包覆可以保证石蜡不会泄漏，从而规避石蜡慢慢地从混凝土或砂浆中漏出来，导致砂浆和混凝土不具备相变功能；此外，石蜡泄漏了影响相变骨料和水泥浆体的界面，容易导致界面问题；树脂外部采用粉体进行封装，一是可以使复合相变材料之间易于分离，不易产生团聚现象；本实施例的粉体封装层中的粉体为水泥、粉煤灰、矿粉、石墨粉、碳纳米粉、石墨烯中的一种或多种按任意比例的混合物，这些粉体都可以进一步增大复合相变材料外壳的导热性能，尤其是石墨粉、碳纳米粉、石墨烯作为封装粉体，这类粉体导热系数非常高，能够快速将热量传递至内部的石蜡进行储存，而且制成的复合相变材料导热系数也较高。
而水泥、粉煤灰、矿粉作为封装粉体，具有一定的水化活性，硬化后可以增大外壳的强度，同时可以增大复合相变材料在水泥石中与水泥浆体的界面结合力，确保水泥石有较好的整体强度；而且水泥粉体的导热系数较比矿渣膨珠的导热系数高，相变骨料整体导热系数有所提升。
本实施例中步骤S3中浸渍有石蜡的矿渣膨珠包覆水性环氧树脂前，采用偶联剂对浸渍有石蜡的矿渣膨珠进行表面浸渍或喷涂，取出浸渍有石蜡的矿渣膨珠表面干燥后再进行水性环氧树脂的包覆；步骤S4中的粉体物料在对水性环氧树脂表面进行封装前，预先采用偶联剂对粉体进行浸渍或喷涂处理，或对水性环氧树脂封装后的球体进行浸渍或者喷涂后再进行粉体封装。偶联剂可以改善有机界面和无机界面之间的结合力，确保复合相变材料的整体稳定性。本实施例所选用的偶联剂为硅烷偶联剂，其它可改善对应有机界面和无机界面之间结合力的偶联剂或相关助剂同样适用于本发明。
实施例2
参见图1和图2，本实施例公开了一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，包括步骤：
S1、将固体石蜡在(80±5)℃温度下加热融化；
S2、称取80g矿渣膨珠于筛网，液体石蜡放于盆中，将筛网放置于盆里，一起放于真空干燥箱中，设置真空度为0.06MPa，待其真空浸渍20分钟后取出；
S3、用其浸渍后质量20％的水性环氧树脂进行包覆，待其固化20分钟；
S4、再加入其浸渍后质量20％的水泥进行封装，使其易于分离，便获得矿渣膨珠复合相变材料，水泥封装为了颗粒易于分离，且因水泥具备水化可能，在制备成为相变砂浆或混凝土时，改成水泥持续水化，可改性相变骨料与水泥基体的界面，同时水化产物在界面的生成，还能进一步密实界面，强化对相变石蜡的包覆与封堵，可以减少泄露；因水泥颗粒导热系数高，还能增加相变骨料外壳导热系数。
本实施例中，水性环氧树脂A胶和B胶的质量比为3：1。水性环氧树脂固化需要最佳的为20分钟，长时间会不易于分离，时间过短泄露较多。
对获得的样品进行DSC测试，相关数据如下表所示：
Figure BDA0003366191000000061
由以上数据可知，随着矿渣膨珠孔隙率的不断增大，矿渣膨珠复合相变材料的相变焓也随之增大，导热系数有所减小。
实施例3
一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，包括步骤：
S1、将固体石蜡在(80±5)℃温度下加热融化；
S2、称取80g矿渣膨珠于筛网，液体石蜡放于盆中，将筛网放置于盆里，一起放于真空干燥箱中，设置真空度为0.06MPa，待其真空浸渍20分钟后取出；
S3、用其浸渍后质量20％的水性环氧树脂进行包覆，待其固化20分钟；
S4、再加入其浸渍后质量15％的石墨粉进行封装，使其易于分离，便获得矿渣膨珠复合相变材料，石墨粉封装为了颗粒易于分离，并且可以减少泄露，最重要的是，石墨粉高导热系数，可以显著提升相变骨料导热系数，强化相变骨料传热效率，便于更快地储存释放能量。
对获得的样品进行DSC测试，相关数据如下表所示：
Figure BDA0003366191000000071
由以上数据可知，随着矿渣膨珠孔隙率的不断增大，矿渣膨珠复合相变材料的相变焓也随之增大，导热系数有所减小。
与实施例2中水泥封装的复合材料相比，两者相变焓相当，采用石墨粉封装后的导热系数要高于水泥封装后复合材料的导热系数。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种矿渣膨珠复合相变材料，其特征在于：包括由浸渍有石蜡的矿渣膨珠组成的内核结构、包覆于内核外表面的水性环氧树脂以及附着于水性环氧树脂外表面的粉体封装层；所述矿渣膨珠的孔隙率为0-80％，且孔隙之间呈连通或半连通。
2.根据权利要求1所述的一种矿渣膨珠复合相变材料，其特征在于：所述粉体封装层中的粉体为水泥、粉煤灰、矿粉、石墨粉、碳纳米粉、石墨烯中的一种或多种按任意比例的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种矿渣膨珠复合相变材料，其特征在于：所述矿渣膨珠的粒径为0.08-30mm。
4.一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，该方法用于制备权利要求1-3任意一项所述的矿渣膨珠复合相变材料，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将固体石蜡加入容器中，在40-100℃温度下加热融化；
S2、将矿渣膨珠浸没于液体石蜡中，然后将带有液体石蜡和矿渣膨珠的容器放于真空干燥箱中，设置真空度为0.001-0.1MPa，浸渍10-60分钟后分离出浸渍有石蜡的矿渣膨珠；
S3、降低环境温度保证石蜡处于固相状态，降低环境温度保证石蜡处于固相状态，用矿渣膨珠浸渍石蜡后总质量0.1-200％的水性环氧树脂进行包覆，待其固化5min-24h；
S4、最后在水性环氧树脂完全固化之前，用矿渣膨珠浸渍石蜡后总质量0.1-400％的粉料进行封装，使其易于分离，获得矿渣膨珠复合相变材料。
5.根据权利要求4所述的一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，其特征在于：所述矿渣膨珠是由高炉渣出料口出料后，立即采用冷风将高炉渣向上吹起，获得的孔隙率为0-80％且孔隙之间呈连通或半连通的矿渣膨珠。
6.根据权利要求4所述的一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中浸渍有石蜡的矿渣膨珠包覆水性环氧树脂前，采用偶联剂对浸渍有石蜡的矿渣膨珠进行表面浸渍或喷涂，取出浸渍有石蜡的矿渣膨珠表面干燥后再进行水性环氧树脂的包覆。
7.根据权利要求4所述的一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中的粉体物料在对水性环氧树脂表面进行封装前，预先采用偶联剂对粉体进行浸渍或喷涂处理，或对水性环氧树脂封装后的球体进行浸渍或者喷涂后再进行粉体封装。
8.根据权利要求6-7任意一项所述的一种矿渣膨珠复合相变材料的制备方法，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂。
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