CN1506434A - 定形相变贮能材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明定形相变贮能材料及其制备方法，特征在于将质量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)和85％到70％石蜡混合加热到高于HDPE的熔点温度，然后使混合物降温至凝固，得到由石蜡散布高密度聚乙烯(HDPE)形成的三维空间网络结构中构成的共混成型物。本发明定形相变贮能材料可采用太阳能直接加热、传热介质加热及电加热等形式贮存能量，用于太阳能利用、工业余热利用、建筑采暖或空调、电能的移峰填谷等。

Description

定形相变贮能材料及其制备方法

技术领域：

本发明属于热能贮存技术领域，特别是涉及相变贮能材料及其制备方法。

背景技术：

相对于显热贮热材料，相变贮热材料有其独到的优势：贮热密度大，可用较小的体积获得很大的贮热容量；相变吸热和释热过程基本上在恒温下进行，易于控制。因此，研究者们尝试将相变材料应用于温控、余热利用、太阳能热利用及建筑节能等领域。由于相变材料恒温相变的特性，所以对于特定的场合需要选择合适的相变材料，这也是相变贮热材料种类繁多的原因。

现有中常温相变材料主要有：

1、结晶水合盐

美国学院出版社(Academic Press)于1980年出版的《太阳能材料科学》(SolarMaterials Science)一书的第377-404页对这类相变贮热材料作了比较全面的综述，指出结晶水合盐是中常温相变贮能中最常用的一大类相变材料，其特点是：使用范围广、价格便宜、导热系数与相变潜热较大、密度大、单位体积贮热量大。但这类相变材料在使用过程中通常存在两个问题：过冷和析出。所谓过冷是指液态相变材料冷却到“凝固点”时并不结晶，而需冷却到“凝固点”以下一定温度时才开始结晶的现象。一般相变材料的结晶前或多或少都有过冷存在，但以结晶水合盐最为严重，若不消除，会影响相变贮能系统的性能。所谓析出是指经加热-冷却循环后盐与水的分离现象，这使得相变材料的潜热迅速衰退。析晶和过冷现象长期以来一直是水合盐类相变贮热技术需要解决的最主要的难题。

2、有机类相变材料

主要包括石蜡、酯酸及多元醇。这类相变材料无析出现象，虽有弱过冷但不影响使用，且性能稳定，无腐蚀性，所以与建筑材料相结合时多采用这类相变材料。但由美国《太阳能材料及太阳能电池》(Solar Energy Materials & Solar Cells)1992年27卷第91-101页“混凝土料对相变材料的吸收”(Absorption of phase changematerials in concrete)一文可看出，这类与建筑结合的相变材料的缺点是导热系数较小，密度小，单位体积贮热能力不大。

以上相变材料因固液转变或升华(多元醇)等原因，在使用过程中必须借助密封容器，这不仅会增加传热热阻，而且使得相变贮热单元的成本大大提高，如美国《太阳能材料》(Solar Energy Materials)1986年27卷第1-10页的“用于热能贮存的有机类相变材料”(Organic phase change materials for thermal energy storage)一文指出：CaCl₂·6H₂O材料本身的价格为每吨90美元，但制成贮热单元后每吨的零售价在3000美元以上；价格的差异主要来自容器的成本。容器的使用不仅增加了应用成本，而且在传热介质与贮热介质之间造成接触热阻，影响传热、贮热效果。

技术内容：

本发明提出一种不需要容器、可与传热介质直接接触的定形相变贮能材料，以降低相变贮能材料的应用成本，实现相变材料的规模化应用。

这种定形相变贮能材料，特征在于其为由质量百分比85％到70％石蜡散布在质量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)形成的三维空间网络结构中构成的共混成型物。

本发明定形相变贮能材料的制备方法，特征在于将质量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)和85％到70％石蜡混合，加热到高于HDPE的熔点温度，然后使混合物降温至凝固。

本发明定形相变贮能材料的定形机理如下：当高密度聚乙烯(HDPE)和石蜡这两种材料被加热到高于HDPE的熔点温度，混合并搅拌，然后降温，在冷却过程中HDPE首先凝固，形成一空间三维网络，而液态石蜡则被包容其间。由于HDPE具有较高的结晶度，这种复合材料在石蜡为发生相变处于液态时仍有相当的强度，故可维持原来的形状。

本发明的定形相变贮能材料中，HDPE所占的质量百分比宜在15％到30％之间，石蜡所占的质量百分比则可在85％到70％之间。若HDPE的质量百分比过小，则无法形成完整的空间构架，即所得材料无法在相变条件下定形；而若HDPE的质量百分比过大，则所得定形相变材料的潜热偏小，实用价值不大。

本发明定形相变贮能材料中的石蜡可根据具体需要选用不同熔点的石蜡。

本发明定形相变贮能材料的成型状态：可根据需要制成不同的形状，如板材、粒状等，从而可便于将本发明定形相变材料与建筑材料，如混凝土、石膏等共混制成各种具有贮能效果的建材。

本发明定形相变贮能材料的使用方法：可采用太阳能直接加热、传热介质加热及电加热等形式贮存能量，并通过直接散热或利用传热介质将热量带至所需的场合。

本发明定形相变贮能材料的适用范围：可用于太阳能利用、工业余热利用、建筑采暖或空调、电能的移峰填谷等。

与传统的相变材料诸如结晶水合盐、熔盐及有机类相变贮能材料相比，本发明的定形相变贮能材料有以下优点：

1、由于作为支撑材料的HDPE的软化点(120℃)远高于作为相变基材的石蜡的熔点(≤66℃)，所以只要使用温度不高于HDPE的软化点，本发明的定形相变贮能材料即可维持其原来的形状。由此，可省却传统相变材料在使用中的封装或容器费用。

2、由于定形的特征，在实际应用中不需要容器，能与传热介质直接接触，从而避免了传统相变材料由于封装材料或容器所带来的接触热阻；且本发明的定形相变贮能材料无传统相变材料的过冷或析晶等现象，贮能效果好。

3、本发明的定形相变贮能材料可根据需要很容易地制成板材、颗粒状等不同的形状，或可与建筑材料如混凝土、石膏等共混制成各种具有贮能效果的建材，使用方便。

4、本发明中作为相变基材的石蜡可根据需要选择不同的熔点，具有广泛的适用性。

附图说明：

图1为本发明定形相变贮热材料的扫描电子显微镜(SEM)照片：

图2为本发明定形相变贮热材料及其所用HDPE的差示扫描量热计(DSC)分析结果。

具体实施方式：

实施例1：

1、定形相变贮热材料的制作：选用5000S号HDPE作为支撑材料，以52号石蜡作为相变基材，将HDPE和石蜡按质量比25/75、在140-160℃条件下共混、并冷却至石蜡的熔点，即成型。

2、性能检测：分别采用SEM和DSC对样品进行检测。

SEM分析结果见附图1。该图为本实施例中制作的定形相变贮热材料的放大500倍的SEM照片，由图1可看到：照片中的白色部分为HDPE形成的比较完整的三维空间网络结构，图中的黑色部分为石蜡，其散布在HDPE形成的三维空间网络结构中。

DSC分析结果见附图2。该图横坐标为温度，纵坐标为热流。图中曲线A是对定形相变材料的分析结果，自左边起前两个峰为定形相变材料中石蜡的相变峰，第三个相变峰代表其中HDPE的相变，它与前两个石蜡的相变峰之间相隔有一定的距离，可以看出石蜡的相变离HDPE的相变之间有较大的温差，这个温差是HDPE起支撑作用的原因。曲线B为纯HDPE的DSC分析结果。将曲线A中的第三个相变峰与曲线B中的相变峰相比，其曲线上开始出现相变峰的起始位置即开始出现相变的温度基本相同，说明定形相变材料中的石蜡对其中的HDPE的软化温度基本上没有影响。

考虑到常温热利用，定形相变材料的软化点的温度已远高于石蜡的熔点温度，相变潜热为157kJ/kg。

此外，还选用了6098A、2100J、6100G、5200S、6100M、5000S、4000F、6600F、5000S、3300F等牌号的HDPE分别与52号、54号、56号石蜡及常温下处于液态的石蜡(液蜡)进行与实施例1类似的试验，均获得了具有类似性能的定形相变材料。

Claims (2)

1、一种定形相变贮能材料，特征在于其为由质量百分比85％到70％石蜡散布在质量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)形成的三维空间网络结构中构成的共混成型物。

2、一种定形相变贮能材料的制备方法，特征在于将质量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)和85％到70％石蜡混合，加热到高于HDPE的熔点温度，然后使混合物降温至凝固。