CN115785912B - 一种储能骨料及其制备方法 - Google Patents

一种储能骨料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种储能骨料及其制备方法，由下列质量份的组分制成：储能层：固体石蜡50‑55份、硅烷偶联剂2‑3份；导热桥：镀铜钢纤维16‑18份；封装层：粒径为15‑17μm的磷建筑石膏11‑22份、减水剂2‑3份、洁净水6‑10份、纳米纤维素0.8‑10.9份、缓凝剂0.1‑0.2份。本发明储能骨料具有合适的相变温度和高潜热值、强度高、导热性好、工艺简单，解决了传统储能骨料吸附过程中工艺复杂、导热性差、强度低等缺点。本发明由储能层、导热桥、封装层组成的骨料与建筑材料复合在一起，解决了传统储能建筑材料强度低、界面性能差、导热性差等问题，能更好地发挥建筑节能作用。

Description

一种储能骨料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种储能骨料及其制备方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
日常生活中建筑能耗大的问题一直存在，建筑行业能耗约占生活中总能耗的30％-40％。随着生活中空调耗能的不断增大，储能建筑材料在建筑行业因能调控室温受到了人们的普遍关注。但是，传统的储能建筑材料大多是以陶粒、膨胀蛭石、硅藻石、聚苯颗粒等吸附相变材料及去除多余相变材料后用环氧树脂封装与建筑材料复合，这些储能骨料由于需要通过物理、真空吸附液相相变材料，然后再进行封装，防止相变材料的渗漏，因此普遍存在工艺复杂、强度低、潜热值低、导热性差和建筑材料结合后界面差等问题，直接导致传统储能建筑材料，在反复相变调温后存在强度低、储能差、导热性差等问题，限制了其在建筑节能领域的利用。
另外，固体废弃物的资源化利用，一直是我国可持续发展的目标，诸如磷石膏、赤泥、电厂稻壳灰、钢渣等，由于组成成分复杂一直难以利用，如何更好的对固体废弃物的资源利用，是我国可持续发展中急需解决的问题之一。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的之一在于提供一种储能骨料及其制备方法，采用一体成型的新工艺制备了新型储能骨料，避免了吸附液相相变材料对骨料本身的强度损害，更好的防止相变材料渗漏；骨料中由于储能层、导热桥、封装层的连接也改善了储能建筑材料的导热性及对建筑材料界面的破坏，显著提高储能建筑材料的强度、潜能值；同时，因为封装材料采用了固体废弃物，也为其的资源化利用，提供了新途径。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种储能骨料，由下列质量份的组分制成：
储能层：固体石蜡50-55份、硅烷偶联剂2-3份；
导热桥：镀铜钢纤维16-18份；
封装层：粒径为15-17μm的磷建筑石膏11-22份、减水剂2-3份、洁净水6-10份、纳米纤维素0.8-10.9份、缓凝剂0.1-0.2份。
进一步地，所述固体石蜡可以由熔点在25-27℃的固体有机相变材料或无机相变材料代替。
进一步地，所述镀铜钢纤维为直径≤0.08mm的超细镀铜钢纤维，铜的厚度为16-20μm，所述镀铜钢纤维可以由相同硬度和细度的镀铜金属丝代替。外部涂有铜不仅能防止纤维锈蚀，还能增加热导率。
进一步地，所述磷建筑石膏可以由天然石膏、建筑石膏、脱硫石膏、氟石膏、钛石膏、水泥、赤泥、电厂稻壳灰或钢渣代替。
进一步地，所述纳米纤维素为常规市购产品，如纤维素纳米晶、微晶纤维素等。所述纳米纤维素可以由纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米石墨代替。
所述硅烷偶联剂为常规市购产品，如KH-550、KH-560、KH-570、KH-520等。
所述减水剂为常规市购产品，如木质素系减水剂、聚羧酸系减水剂、水溶性树脂减水剂等。
所述缓凝剂为常规市购产品，如羟基羧酸及其盐类、酒石酸、柠檬酸等。
本发明的另一目的在于一种储能骨料的制备方法，具体步骤如下：
(1)按下列质量份的组分备料：
储能层：固体石蜡50-55份、硅烷偶联剂2-3份；
导热桥：镀铜钢纤维16-18份；
封装层：粒径为15-17μm的磷建筑石膏11-22份、减水剂2-3份、洁净水6-10份、纳米纤维素0.8-10.9份、缓凝剂0.1-0.2份；
(2)将步骤(1)的固体石蜡切割成直径为5-10mm的球形，将硅烷偶联剂均匀涂抹在球形固体石蜡上，并自然风干，以保证固体石蜡与封装材料的良好结合性，得到储能层；
(3)在同一圆周上，将步骤(1)的镀铜钢纤维对球心方向插入球形固体石蜡，使相邻两根钢纤维的夹角为15-45°，依次布置8-24根镀铜钢纤维，将留在球形固体石蜡外的镀铜钢纤维均按顺时针或逆时针方向弯折成90°，即完成导热桥的搭建；
(4)将步骤(1)的减水剂、洁净水、纳米纤维素、缓凝剂进行超声波分散10-15min后，与磷建筑石膏混合搅拌均匀后得到封装层料浆，在储能层和导热桥外部包裹厚度2-6mm封装层料浆，使镀铜钢纤维的弯折部分留在封装层的外围，完成导热桥在储能层、封装层之间的搭建，最后在0-15℃下养护成形，即得到储能骨料。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果有：
1、本发明以包裹形式使骨料中保存更多的相变材料，提高更大的潜热值，本发明的储能骨料相变温度适宜为26-28℃，潜热值为80-88J/g。
2、本发明为储能骨料的制备提供了一种新工艺，其与传统储能骨料工艺对比，操作成本低，取材容易。储能骨料强度和导热性更优及有更高的潜热值。
3、本发明的储能骨料与传统建筑材料复合后，因为相变材料的占比增多，储能层、导热桥、封装层的优异结合，能够大幅度提高储能建筑材料的强度约1-5倍和导热系数1-2倍。
4、因为储能骨料良好的相变温度和优异的潜热值，其应用于建筑节能领域，可降低建筑能耗，减少空调的使用。
5、因封装层采用的为固体废弃物材料，能为固体废弃物的资源化利用，提供新途径。
附图说明
图1是本发明储能骨料的平面结构示意图，其中，1-储能层、2-导热桥、3-封装层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步解释和说明，但不限定本发明。
实施例1
(1)按下列质量份的组分备料：
储能层：固体石蜡50份、KH-550硅烷偶联剂2份；
导热桥：镀铜钢纤维16份；
封装层：粒径为15-17μm的磷建筑石膏22份、水溶性树脂减水剂3份、洁净水6份、纳米纤维素0.8份、柠檬酸缓凝剂0.2份；
(2)将步骤(1)的固体石蜡切割成直径为5mm的球形，将硅烷偶联剂均匀涂抹在球形固体石蜡上，并自然风干，以保证固体石蜡与封装材料的良好结合性，得到储能层；
(3)在同一圆周上，将步骤(1)的镀铜钢纤维对球心方向插入球形固体石蜡，使相邻两根钢纤维的夹角为45°，依次布置8根镀铜钢纤维，将留在球形固体石蜡外的镀铜钢纤维均按顺时针或逆时针方向弯折成90°，即完成导热桥的搭建；
(4)将步骤(1)的减水剂、洁净水、纳米纤维素、缓凝剂进行超声波分散12min后，与磷建筑石膏混合搅拌均匀后得到封装层料浆，在储能层和导热桥外部包裹厚度2mm封装层料浆，使镀铜钢纤维的弯折部分留在封装层的外围，完成导热桥在储能层、封装层之间的搭建，最后在10℃下养护成形，即得到粒径为7-8mm的储能骨料。
实施例2
(1)按下列质量份的组分备料：
储能层：固体石蜡52.5份、KH-560硅烷偶联剂2.5份；
导热桥：镀铜钢纤维17份；
封装层：粒径为15-17μm的脱硫石膏16.5份、木质素系减水剂2.5份、洁净水8份、微晶纤维素0.85份、羟基羧酸类缓凝剂0.15份；
(2)将步骤(1)的固体石蜡切割成直径为10mm的球形，将硅烷偶联剂均匀涂抹在球形固体石蜡上，并自然风干，以保证固体石蜡与封装材料的良好结合性，得到储能层；
(3)在同一圆周上，将步骤(1)的镀铜钢纤维对球心方向插入球形固体石蜡，使相邻两根钢纤维的夹角为24°，依次布置15根镀铜钢纤维，将留在球形固体石蜡外的镀铜钢纤维均按顺时针或逆时针方向弯折成90°，即完成导热桥的搭建；
(4)将步骤(1)的减水剂、洁净水、微晶纤维素、缓凝剂进行超声波分散10min后，与磷建筑石膏混合搅拌均匀后得到封装层料浆，在储能层和导热桥外部包裹厚度4mm封装层料浆，使镀铜钢纤维的弯折部分留在封装层的外围，完成导热桥在储能层、封装层之间的搭建，最后在0℃下养护成形，即得到粒径为11-12mm的储能骨料。
实施例3
(1)按下列质量份的组分备料：
储能层：固体石蜡55份、KH-570硅烷偶联剂3份；
导热桥：镀铜钢纤维18份；
封装层：粒径为15-17μm的磷建筑石膏11份、聚羧酸系减水剂2份、洁净水10份、碳纳米管0.9份、羟基羧酸盐类缓凝剂0.1份；
(2)将步骤(1)的固体石蜡切割成直径为10mm的球形，将硅烷偶联剂均匀涂抹在球形固体石蜡上，并自然风干，以保证固体石蜡与封装材料的良好结合性，得到储能层；
(3)在同一圆周上，将步骤(1)的镀铜钢纤维对球心方向插入球形固体石蜡，使相邻两根钢纤维的夹角为15°，依次布置24根镀铜钢纤维，将留在球形固体石蜡外的镀铜钢纤维均按顺时针或逆时针方向弯折成90°，即完成导热桥的搭建；
(4)将步骤(1)的减水剂、洁净水、纳米纤维素、缓凝剂进行超声波分散15min后，与磷建筑石膏混合搅拌均匀后得到封装层料浆，在储能层和导热桥外部包裹厚度6mm封装层料浆，使镀铜钢纤维的弯折部分留在封装层的外围，完成导热桥在储能层、封装层之间的搭建，最后在15℃下养护成形，即得到粒径为16-17mm的储能骨料。
对比例1：采用粒径为16-17mm的陶粒(与实施例3的储能骨料粒径相同)，把55份的固体石蜡熔化成液体石蜡后用传统的真空吸附液体石蜡方法制得初步储能陶粒，并进行300次冷热循环去除多余石蜡，再用传统的环氧树脂对储能陶粒包裹，即完成储能陶粒的制备。
对比例2：采用粒径为16-17mm的硅藻石(与实施例3的储能骨料粒径相同)，把55份的固体石蜡熔化成液体石蜡后用传统的真空吸附液体石蜡方法制得初步储能陶粒，并进行300次冷热循环去除多余石蜡，再用传统的环氧树脂对储能陶粒包裹，即完成储能陶粒的制备。
对比例3：CN 113185181A制得3D打印相变骨料。
对比例4：CN104944819 A制得的相变储能骨料。
对比例5：CN 109734360A制得的相变混凝土骨料。
对比例6：CN107200530 A制得的相变储能陶粒。
对比例7：CN113402187A制得的储能磷建筑石膏骨料。
对比例8：CN109678373B制得的相变防冻混凝土骨料。
对比例9：同实施例3，仅将镀铜钢纤维换成钢纤维。
对实施例和对比例中储能骨料的性能，按照GB/T14685-2011《建筑用卵石、碎石》检测实施例和对比例所得骨料的压碎指标、吸水率，另外测试了骨料石蜡保留率、相变温度、潜热值，300次冷热循环的相变材料质量损失。对比结果如表1所示。
表1实施例和对比例中储能骨料的性能
注：
(1)相变材料保留率计算公式如下；
W＝(W1/W2)×100％
式子中；W为储能骨料中相变材料保留率，单位％；W1、W2分别为相变材料份数、储能骨料的份数，单位g。
(2)潜热值计算公式如下：
△Hm＝△Hpcm×W
式子中；△Hm为储能骨料的潜热值，单位(J/g)；△Hpcm为储能骨料中相变材料的潜热值，单位(J/g)，W为储能骨料中相变材料保留率,单位％；本发明中实施列、对比例中石蜡的潜热值在156-160(J/g)之间。
(3)冷热循环的相变材料质量损失率：
M＝(M1-Mn)/M1)×100％
式子中；M、M1、Mn分别为冷热循环的骨料质量损失率、骨料质量、不同循环次数下的骨料质量，单位g；
(4)未给出导热系数，则依据材料的导热特性进行推算；骨料相变温度由温度传感器测试；其余指标按照GB/T14685-2011《建筑用卵石、碎石》进行测试。
首先，本发明的实施例1-3中，实施例3的各项性能最优，相对于实施例1、2，石蜡保留量更多，潜能值更好，相变温度更适宜；相对于实施例1、2，因加入的镀铜钢纤维较多且合理的角度设计，骨料的压碎指标更好；相对于实施例1、2和对比例9的导热系数更好，一方面是镀铜纤维的数量较多，另外一方面是钢纤维表面铜和碳纳米管的较优导热性造成。另外，与对比例1、2、3、4、6、7相比，本发明储能骨料的一体成型的制备方式，操作简单，比起传统的真空、物理吸附能节省人力、物理、提高了制备效率；同时，对比例1、2、3、4、6、7的储能骨料虽然没给出导热系数，但是文献《多孔碳基复合相变储能材料的制备和性能优化研究》、《膨胀蛭石基复合相变储能材料的设计与性能》、《膨胀珍珠岩基复合相变储能材料的制备和性能优化研究》中都指出以石蜡为相变材料，又用环氧树脂、乳胶包裹的材料，导热系数都很差，蓄能速率很慢，不利于建筑结构的储能，因此本发明中储能骨料的镀铜钢纤维形成的导热桥和封装层良好导热性，都显著提高了骨料的蓄热速率，为新型储能骨料的制备，提供了一种新方法。与对比例5、8相比，虽然本发明的储能骨料导热系数较差，但是相变储能材料的保留率、相变温度、潜热值、压碎指标、吸水率都较优，也表明储能骨料不仅需要有好的蓄热速率，还需要有较高的相变材料保留率、潜热值，才能有较大储能值，更好的使建筑结构节能。
进一步地，为研究本发明储能骨料的实用性，采用水泥465(Kg/m3)、砂子776(Kg/m3)、骨料430.1(Kg/m3)、洁净水180(Kg/m3)和减水剂3.26(Kg/m3)配置成储能混凝土，骨料分别为对应为实施例1-3、对比例1-9，对比了储能混凝土28天的强度，结果如表2所示：
表2骨料应用中强度性能对比
强度(MPa)
实施例1 40-45
实施例2 45-48
实施例3 56-62
对比例1 30-42
对比例2 28-35
对比例3 35-36
对比例4 28-34
对比例5 30-36
对比例6 28-34
对比例7 12-22
对比例8 30-36
对比例9 55-59
注：文献《Experimental investigation for the development of superiorstructural integrated thermocrete via incorporation of novel non-encapsulatedparaffin aggregate》和《Areview onenergy conservationinbuilding applicationswith thermal storage by latent heat using phasechange materials》中指出当以乳胶、环氧树脂作为储能骨料的封装材料时，界面过渡区破坏较严重，直接会影响与之复合的水泥基强度下降。
首先，本发明的实施例1-3中，实施例3的抗压强度最优，相对于实施例1、2，因加入的镀铜钢纤维较多且合理的角度设计，骨料与水泥基界面的咬合力更强，整体的强度越高。
与对比例1-9相比，本发明储能骨料与水泥基结合后的强度，约它们的1-3倍，主要的原因是对比列中过多考虑了相变材料的渗漏作用，选用了环氧树脂、乳胶来进行包裹，缺少了对骨料与基体界面的考虑。因此本发明在储能骨料制备过程中加入了骨料界面的考虑，进而力学性能相对于对比例1-8较优，保证了骨料与建筑材料之间的界面过渡区的良好，能使与该发明骨料结合的储能复合建筑材料力学性能较优，强度大约在1-5倍，能增加储能混凝土使用寿命较长，减少后期维护费用。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种储能骨料，其特征在于：由下列质量份的组分制成：
储能层：固体石蜡50-55份、硅烷偶联剂2-3份；
导热桥：镀铜钢纤维16-18份；
封装层：粒径为15-17μm的磷建筑石膏11-22份、减水剂2-3份、洁净水6-10份、纳米纤维素0.8-0.9份、缓凝剂0.1-0.2份。
2.根据权利要求1所述的储能骨料，其特征在于：所述固体石蜡由熔点在25-27℃的固体有机相变材料或无机相变材料代替。
3.根据权利要求1所述的储能骨料，其特征在于：所述镀铜钢纤维为直径≤0.08mm的超细镀铜钢纤维，铜的厚度为16-20μm。
4.根据权利要求1所述的储能骨料，其特征在于：所述磷建筑石膏由天然石膏、建筑石膏、脱硫石膏、氟石膏、钛石膏、水泥、赤泥、电厂稻壳灰或钢渣代替。
5.根据权利要求1所述的储能骨料，其特征在于：所述纳米纤维素由纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米石墨代替。
6.一种储能骨料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）按下列质量份的组分备料：
储能层：固体石蜡50-55份、硅烷偶联剂2-3份；
导热桥：镀铜钢纤维16-18份；
封装层：粒径为15-17μm的磷建筑石膏11-22份、减水剂2-3份、洁净水6-10份、纳米纤维素0.8-0.9份、缓凝剂0.1-0.2份；
（2）将步骤（1）的固体石蜡切割成直径为5-10mm的球形，将硅烷偶联剂均匀涂抹在球形固体石蜡上，并自然风干，得到储能层；
（3）在同一圆周上，将步骤（1）的镀铜钢纤维对球心方向插入球形固体石蜡，使相邻两根钢纤维的夹角为15-45°，依次布置8-24根镀铜钢纤维，将留在球形固体石蜡外的镀铜钢纤维均按顺时针或逆时针方向弯折成90°，即完成导热桥的搭建；
（4）将步骤（1）的减水剂、洁净水、纳米纤维素、缓凝剂进行超声波分散10-15min后，与磷建筑石膏混合搅拌均匀后得到封装层料浆，在储能层和导热桥外部包裹厚度2-6mm封装层料浆，使镀铜钢纤维的弯折部分留在封装层的外围，完成导热桥在储能层、封装层之间的搭建，最后在0-15℃下养护成形，即得到储能骨料。
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