RO125715A2 - Materiale nanocompozite de construcţie şi procedeu de obţinere a acestora - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un material nanocompozit utilizat pentru stocarea energiei în construcţii, şi la un procedeu de obţinere a acestuia. Materialul conform invenţiei este compus din 73% polietilenglicol, având o greutate moleculară fie de 1000, 1500 sau 2000, 1% pulbere de aluminiu, 26% răşină epoxidică şi trietilentetramină, materialul nanocompozit rezultat având intervale de topire/solidificare de 26...36, 42...46 şi 46...52°C. Procedeul conform invenţiei constă din amestecarea răşinii epoxidice cu polietilenglicolul topit şi pulberea de aluminiu, adăugarea la amestec a întăritorului, omogenizarea amestecului rezultat la o temperatură de 25...40°C, după care se toarnă în formele dorite şi se lasă să polimerizeze timp de 24 h, timp de 7 zile, din care rezultă un material nanocompozit având o căldură latentă de 92,7, 108,6 şi, respectiv, 116,2 kJ/kg.

Description

MATERIALE NANOCOMPOZITE DE CONSTRUCȚIE SI PROCEDEU DE OBȚINERE A ACESTORA.

Invenția se referă la materiale cu schimbare de fază destinate stocării căldurii solare sau reziduale, utilizate ca elemente de construcție pentru menținerea unei temperaturi constante într-o încăpere . Se pot folosi și la condiționarea termică a fluidelor care circulă prin conducte, prin folosirea ambelor concepte (pasiv și activ) în cadrul unei construcții cu consum redus de energie.

Invenția prezintă ca noutate un material nanocompozit pe bază de polietilenglicol ca material cu schimbare de fază (PCM), unde ca matrice s-a folosit rășina epoxi, care polimerizează tridimensional la rece.

Stocarea termică sub formă de căldură latentă a fost considerată ca o alternativă atractivă la stocarea sub formă de căldură sensibilă în construcții, datorită avantajelor pe care le oferă : domeniu de temperatură constant, ales în funcție de necesități, distribuția termică îmbunătățită, câștigul de spațiu și costul mai mic.

Din punct de vedere al criteriilor de confort termic, stocarea izotermă a căldurii este una din caracteristicile cele mai atractive ale componentei cu schimbare de fază .

Din punct de vedere al confortului uman în domeniul de temperatură (16-25°C), materialele de stocare cu o căldură latentă de schimbare de fază mare au fost considerate candidații cei mai eficienți.

Cercetările au arătat că materialele de construcție care au în componență substanțe cu schimbare de fază pot stoca de 5-14 ori mai multă căldură pe unitatea de volum decât materialele de construcții tradiționale. Energia stocată într-o cantitate n de material este dată de relația:

T T

Q = n jC_p dT + ηΔΗ, + n JC_p dT

Tf T_f unde : Q este cantitatea de căldură (kJ), AHf este entalpia specifică de topire pro Mol. n este masa de material de stocare (kg)

C_ps, C_pi reprezintă căldura specifică a materialului solid respectiv lichid (kJ/kgK)

Tf reprzintă temperatura de fuziune (K)

Pentru realizarea unui material de stocare convenabil, acesta trebuie să satisfacă anumite cnteii:

L.

. / ' 1 7 -03- 2009

Ο Ο 9 ~ Ο Ο 2 4 2 - - G

7 -03- 2009

-Termodinamice: temperatură de topire în domeniul cerut, căldură latentă de topire pe unitatea de volum mare, căldură specifică mare pentru a putea stoca o căldură adițională cât mai mare; topire congruentă. Pentru încărcarea și descărcarea sistemului, materialul trebuie să prezinte o conductivitate termică ridicată în ambele faze.

.-Cinetice: viteza de nucleație mare pentru a evita subracirea in faza lichidă.

-Chimice : ciclu topire/solidifîcare complet reversibil, să nu se degradeze la un număr mare de cicluri, să fie necorozive, netoxice, neinflamabile și neexplozive.

-Criterii de ordin fizic care se refera la stocarea si eliberarea căldurii precum si la stabilitatea materialului.

-Economice: preț mic, pentru amortizarea cheltuielilor de instalare și o buna reciclabilitate.

Materialele cu schimbare de fază au nevoie de un spațiu în care să fie izolate de mediul înconjurător deoarece ele pot reacționa fizic sau chimic cu acesta. Metoda cea mai folosită este containerizarea, suprafața containerului acționând ca suprafață de transfer termic, fiind și un factor de stabilitate mecanică in cazul fazei lichide.

S-au folosit containere compatibile cu materialul de construcție, cu dezavantajul scurgerilor sau evaporării unor componente și a unei manipulări greoaie.

O altă metodă este microincapsularea materialelor cu schimbare de fază (anorganice sau organice) în polimeri : poliacrilat de sodiu, poliamide¹’² sau rășini epoxidice³’⁴. Nihal Sarier și Emel Onder⁵ au studiat compozitele (Poliuretan) PU-PEG. Astfel: PUI, conținând 44% PEG 600, prezintă o regularizare moderată a temperaturii ambientale, PU II (49% PEG 1000) este convenabil pentru controlul temperaturii in medii moderate sau fierbinți, PU III, cu 53% PEG 1500, prezintă o stocare termică convenabilă in timp ce PETIV, conținând 38% PEG 600/PEG 1000/PEG 1500, confirmă caracteristicile termice și durabilitatea.

S-au obținut și comercializat compozite parafină încapsulată în polietilenă de înaltă densitate (Yinping 2006)⁶ sau produsele RUBITHERM⁷: PK, PX și granulatele, care conțin parafine încapsulate in diferite matrici respectiv: polimeri, silice sau argilă poroasă . DuPont a comercializat recent un material compozit (Energain)⁷ pe bază de parafină 60% și un copolimer incorporat în panele de Al laminat, care poate fi folosit la pereții interiori, planșee, în sistemul de ventilație. Intervalul de topire/solidificare este 18-22°C. De asemenea, BASF⁷ a microincapsulat și comercializat parafinele ca Micronal și Micronal DS, care se prezintă ca dispersie fluidă și respectiv pudră și au temperaturi de topire de 26 și respectiv 23°C . Cabeza și colab⁸. în 2007 au microincapsulat Micronal în beton, incorporat în construcție la pereții de sud, vest și acoperiș.

¢^- 2 0 0 9 - 0 0 2 4 2 -1 1 -03- 2009

In urma încercărilor de laborator a rezultat că sistemul epoxidic optim pentru realizarea compozitelor este format din rășina epoxidică tip Ropoxid 501 și întăritorul TETA (trietilentetramina) ambele de la Policolor. Rășina epoxidică este constituita din diglicidileter al bisfenolului A si prin aceasta cantitatea de rășină necesară realizării compozitului EpoxiPCM este minima. Acesta este un sistem cu întărire la temperatura ambiantă, care permite înglobarea unei cantitati maxime de PCM (>70%).

Rășina enoxidică _h,n -ch₂-ch₂-n ch₂-ch₂-n -ch₂ ch₂ n:_h

OH och₂-ch-ch₂

OH o I ch₂

HO-CH

I ch₂

T rietilentertamina (TETA) n -ch₂- ch₂-n-ch₂-ch₂-n -ch₂ch₂ N

OH

I ch₂—chch₂-o

CH₂

HO-CH I ch₂ o

ch₂—ch-ch₂o

OH

In funcție de raportul molar dintre epiclorhidrina și bisfenolul A precum și de condițiile de reacție se obțin rășini epoxidice cu masa moleculară variind între 340 și 4000 care pot fi lichide sau solide cu punct de înmuiere la 160° C, depinzând de structura și de masa lor moleculară. Grupele epoxidice pot să participe la reacții de poliadiție cu întăritorii conținând H activ sau să polimerizeze în prezență de catalizatori ionici, conducând la polimeri tridimensionali infuzibili și insolubili.

Alegerea întăritorului se face luând în considerare condițiile de prelucrare și de întărire impuse de utilizator: viscozitate, timp de prelucrabilitate, temperatura de lucru și proprietățile rășinii întărite. In cazul nanocompozitelor, la care dimensiunile particulelor dispersate în matricea polimerică au dimensiuni nanometrice, atomii sau grupările de atomi ai substanței minerale sau ai materialului cu schimbare de fază pot interactiona cu grupările reactive ale sistemelor epoxidice, respectiv se pot integra în matricea polimerică și vor apare legături

9-2 Ο Ο 9 ~ Ο Ο 2 4 2 - 1 7 -03- 2009 chimice și/sau fizice. Noile proprietăți care se obțin nu depind numai de proprietățile individuale ale componenților, dar și de caracteristicile morfologice sau inerfaciale ale acestora. întărirea se poate face prin reacția dintre grupele reactive (epoxi și hidroxil) din rășina epoxidică și agentul de întărire care intră în structura polimerului termorigid format. Studiile cinetice ale reacțiilor de întărire (evoluția in timp a exotermei de reacție) cu și fără materialul cu schimbare de fază au arătat că doar la începutul procesului sunt mici diferențe intre curbele de întărire. Prin studii de calorimetrie diferențială (DSC) ale materialelor obținute s-au determinat temperaturile și căldurile latente de schimbare de fază prezentate în tabelul 1.

Tabel 1. Compoziția și proprietățile materialelor cere fac obiectul invenției

Compusul	%gr	%gr în compozit	Temperatura de schimbare de fază, °C	Căldura latentă de schimbare de fază, kJ/kg
Polietilen glycol 2000 Pudră de Al	99 1	70	52.2-33.4	149-113.7
Polietilen glycol 1000 Pudră de Al	99 1	70	26.2-29	90.3-79.39.
Polietilen glycol 1500 Pudră de Al	99 1	70	46-31.9	192.2-187.6

*Determinările DSC au fost effectuate cu un termoanalizor DuPont 2000

Studiile de microscopie electronică SEM (Scanning Electronic Microscope) pentru cele 3 fracții de PEG (1000, 1500, 2000), efectuate cu un aparat Quanta 200, indică o variație a structurii în funcție de masa moleculară a polietilenglicolului, de la omogenă la PEG 1000 la o structură aproape stratificată la PEG 2000.

Materialele au fost testate in condiții standard de climatizare izotermă și au prezentat o variație dimensională de maximum 0,41% la temperatura schimbării de fază a materialului. Căldurile specifice masice au fost calculate după formula: C=Ă/pa unde a este difiizivitatea termică și λ este conductivitatea termică, iar p este densitatea (kg/m³).

Conductivitatea termică, foarte importantă în stabilirea gradului de izolație termică, a fost determinată cu un aparat UNITHERM 6000, în regim staționar și a fost calculată din relația: λ=Φ/ΔΤ unde d este grosimea probei în m, ΔΤ este diferența de temperatură dintre fețele plane (K) și Φ este densitatea de flux termic (W/m²)

Pentru difuzivitate a fost construit un dispozitiv special cu ajutorul căruia s-au determinat coeficienții de difuzie termică ca gradient de temperatură între proba încălzită la o temperatură dată și apoi introdusă într-un mediu mai rece, de temperatură constantă. Difuzi vi tatea termică depinde de viteza de răcire, Δθ=(\ e^mx unde m este ritmul de răcire, (Ν-- 2 Ο Ο 9 - Ο Ο 2 4 2 - 1 7 -03- 2009 t este intervalul de timp în care se face răcirea și C₂ este o constantă dependentă de condițiile inițiale. Când viteza de răcire este constantă, difuzvitatea este u=Km_t unde K este o constantă ce depinde de geometria probei.

Pentru sferă: Κ=(Κ/π)².

Aceste proprietăți sunt prezentate în tabelul 2

Tabelul 2 Proprietățile termo-fizice ale materialelor studiate.

Proprietatea	Unitate de măsură	PEG 2000	PEG 1500	PEG 1000
P20	kg/m3	1182,7	1173,7	1183,2
Ptopire	kg/m3	1171	1197,9	1170
λ 20	W/mK	0, 207	0, 234	0,218
λ topire	W/mK	0,250	0,267	0,232
C 20	kJ/kgK	2,65	2,32
C topire	kJ/kgK	3,20	2,65
a	m2/s	8,43.10-8	6,55.10-8

Materiale nano compozite PEG-epoxi cu temperaturi de topire cuprinse între 26 și 52 °C, pot fi folosite ca elemente de stocare în case ecologice pentru incalzire/răcire.

Compozitele (epoxi-PEG) sunt rezistente mecanic și pot fi folosite ca elemente de construcție fără containerizare.

Materialele pot fi prelucrate ușor după geometria necesară aplicației.

Compozitele pot fi combinate într-un sistem multifuncțional cu mai multe temperaturi de schimbare de fază, în funcție de locul sau modul de aplicare în construcții.

II. Procedeu de obținere a materialui cu schimbare de fază pentru stocarea căldurii comform revendicării 1

Procedeul este caracterizat prin aceea că după ce se cântărescse componentele conform rețetei, se amestecă rășina epoxidică cu polietilenglicolul (Carbovax sau PEG) topit și cu pudră de aluminiu și după omogenizare se adaugă și cantitatea necesară de întăritor TETA, apoi se omogenizează amestecul la temperaturi cuprinse între 15 și 30 °C, după care compoziția se toarnă în forme de geometria cerută și se lasă 24 h să polimerizeze. Procesul este definitiv încheiat după 7 zile.

Schema de procedeu de obținere este prezentată în cele ce urmează:

Claims (2)

1. - 2309 ,#

   Revendicare

   1 .Materiale cu schimbare de fază pentru stocarea căldurii, pe bază de polietilenglicol, caracterizate prin aceea că sunt constituite în greutate din 73% material cu schimbare de fază, 1% pulbere de Al pentru creșterea conductivității termice și 26% rășină epoxi cu întăritor TETA (Trietilentertamina). S-au preparat 3 materiale cu diferite fracții moleculare de polietilen glicol (1000, 1500, 2000) având călduri latente de 90, 149 si respectiv 192 kJ/kg și intervale de topire /solidificare de (26-36; 42-46 si respectiv 46-52°C).
2. 2 . Procedeu de obținere a materialelor cu schimbare de fază pentru stocarea căldurii conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că se amestecă rășina epoxidică cu polietilen glicolul topit și cu pudra de aluminiu și după omogenizare se adaugă și cantitatea necesară de întăritor TETA, apoi se omogenizează amestecul la temperaturi cuprinse între 15 și 30 °C, după care compoziția se toarnă în forme de geometria cerută și se lasă 24 h să polimerizeze. Procesul este încheiat după 7 zile.