TW201506142A - 石蠟系潛熱蓄熱材組成物及作爲石蠟系組成物之潛熱蓄熱材之使用 - Google Patents

石蠟系潛熱蓄熱材組成物及作爲石蠟系組成物之潛熱蓄熱材之使用 Download PDF

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Abstract

本發明係提供一種具有接近n-十九烷之熔點，且具有偶數正石蠟之大熔解潛熱量之石蠟系潛熱蓄熱材組成物。本發明係有關含有n-二十烷與n-十八烷及/或n-十九烷之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其係含有n-二十烷83質量%以上、n-十八烷13質量%以下、n-十九烷17質量%以下之比例，且具有比n-二十烷更低的熔點及230J/g以上之熔解潛熱量。

Description

石蠟系潛熱蓄熱材組成物及作為石蠟系組成物之潛熱蓄熱材之使用
本發明係有關一種伴隨以n-二十烷為主成分之相變化的石蠟系潛熱蓄熱材組成物。更詳言之，藉由在n-二十烷中以特定量添加2種碳數接近的n-十八烷及/或n-十九烷，具有比n-二十烷更低的熔點且控制相轉移舉動，並改良潛熱蓄熱材之特性的石蠟系潛熱蓄熱材組成物。
近年來，以有效地利用生活環境之能量為目的時，伴隨液相與固相之相變化的潛熱蓄熱材，被使用於蓄熱式空調機器、蓄熱式建材、各種保溫器具或裝置、保冷劑等。利用伴隨相變化之潛熱的方法，提案以在產生相變化的溫度範圍內可貯藏大量的熱量、可使蓄熱材容量縮小化、且由於以蓄熱量大的比例不會產生大的溫度差，可將熱損失抑制於少量等為其特長之各種潛熱蓄熱材。
其典型例之一，係石蠟系潛熱蓄熱材。由具有的熔點及凝固點在生活溫度區域(5~35℃)之正石蠟(以下記載為n-石蠟)類所成的潛熱蓄熱材，其特徵為不需經由複雜的 化學反應，可由石油餾份製得，化學性安定且不具腐蝕性等。檢討對象之中心，係檢討以碳數12~22之範圍的n-石蠟(特別是熔解熱大的偶數碳數石蠟)為中心，以有效地利用潛熱或抑制過冷卻現象為目的時與各種添加劑調合。
n-二十烷係熔解潛熱量為247J/g之大值，且具有作為潛熱蓄熱材之優異特性。然而，熔點為37℃(文獻值)時，使用作為蓄熱材係稍微偏高，使用單一成分作為蓄熱材時，會引起大幅度過冷卻的情形。
於專利文獻1中揭示，使用由n-十六烷與n-十四烷之混合物所成、重量份以99：1~65：35之摻合比例、熔點為9~17℃之蓄熱材作為n-石蠟系蓄熱材。然而，專利文獻1中揭示藉由改變n-十六烷與n-十四烷之摻合比例，雖可調整熔點或在指定溫度範圍之吸熱量等特性，惟沒有揭示有關使用n-二十烷或控制所含的熔解潛熱量。
於專利文獻2中揭示，實質上由碳數13~16之範圍的正石蠟成份的混合物所形成的蓄熱材，於偶數碳數之石蠟混合物或奇數碳數之石蠟混合物中，各成分以重量為10：90~90：10之比例摻合時，可調整凝固點、熔點之特性。然而，於專利文獻2中沒有揭示有關控制所含的熔解潛熱量，有關偶數(Cn)、奇數(Cn+1)、偶數(Cn+2)之3成分系，僅有1例揭示有相同的檢討結果，惟沒有揭示有關控制所含的熔解潛熱量，且不含n-二十烷。
於專利文獻3中揭示，由n-十六烷、n-十五烷、n-十四烷中選擇的1種或複數種所成的n-石蠟(組成物)，與含 有由具有C8長度之側鏈的直鏈狀低密度聚乙烯等中選擇的凝膠劑之凝膠狀物所形成的蓄熱材。然而，專利文獻3，係不含n-二十烷者，且沒有揭示有關控制n-石蠟混合物間所含的熔解潛熱量。
於專利文獻4中揭示，由n-十七烷、n-十八烷、n-十九烷等3種所成的n-石蠟組成物。於專利文獻4中，揭示以上述成分之特定摻合比例，維持超過200J/g之潛熱量，惟不含n-二十烷。
於專利文獻5中揭示，使用碳數為16~20之範圍的複數種n-石蠟的石蠟系潛熱蓄熱材。然而，於專利文獻5中沒有揭示以n-二十烷為主成分之具有高潛熱熔解量的組成物。
於專利文獻6中揭示，藉由添加特定的界面活性劑，形成n-二十烷等之n-石蠟與水的乳液之潛熱蓄熱材組成物。然而，於專利文獻6中，雖揭示n-二十烷單獨、或n-二十烷與n-十五烷混合系之乳液的乳化安定性佳，惟完全沒有記載任何有關藉由以特定的摻合比例混合n-二十烷與其他的石蠟成分，使熔解潛熱量保持於高值，且同時可使熔點為低值。
如上所述，產生n-二十烷之熔解潛熱量的大小，且抑制熔點降低與過冷卻的技術之提案，目前仍不夠充分。
而且，石蠟系潛熱蓄熱材組成物之熔解潛熱量，一般而言以200J/g以上較佳，熔解潛熱量未達200J/g時，於使用作為有效的潛熱量(蓄熱量)小、冷暖房用途或對建築 物之保溫．保冷用途、室內與室外間之溫度遮蔽功能材、日用品及衣料品等之夏天具有清涼感或冬季具有保溫功能的功能材、冷藏保管容器、冷熱搬運媒體、防止結凍劑等時，無法發揮充分的效果。
[習知技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平05-214329號公報
[專利文獻2]日本特開平06-234967號公報
[專利文獻3]日本特開2006-316194號公報
[專利文獻4]日本特開2006-321949號公報
[專利文獻5]日本特開2005-307381號公報
[專利文獻6]日本特開2004-143229號公報
本發明人等為達成上述目的時，再三深入研究檢討的結果，發現藉由在n-二十烷中以特定量添加碳數接近的2 種碳數為偶數及/或奇數的n-石蠟，在維持相當偶數碳數n-石蠟的大熔解潛熱量下，可控制熔點及凝固點等之相轉移舉動，並改善潛熱蓄熱材特性，遂而完成本發明。
換言之，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其係含有n-二十烷、與n-十八烷及/或n-十九烷之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其特徵為1)含有n-二十烷83質量%以上、n-十八烷13質量%以下、n-十九烷17質量%以下之比例，2)熔點比n-二十烷之熔點更低，3)熔解潛熱量為230J/g以上。
此外，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，上述本發明中於含有n-十九烷及n-十八烷時，n-十九烷與n-十八烷之含量(質量%)為下述式(1)之關係。
0.5≦[n-十九烷之含量]/[n-十八烷之含量]≦10 (1)
另外，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，於上述本發明中凝固點為30℃以上。
而且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，於上述本發明中熔點與凝固點之差未達3℃。
此外，本發明作為石蠟系組成物之潛熱蓄熱材之使用，其係作為由混合n-二十烷、n-十八烷及/或n-十九烷而成的石蠟系組成物之潛熱蓄熱材使用，其特徵為前述石蠟系組成物係1)含有n-二十烷83質量%以上、n-十八烷13質量%以下、n-十九烷17質量%以下之比例，2)熔點比n-二十烷之熔點更低，3)熔解潛熱量為230J/g以上。
本發明係有鑑於上述者，以提供一種在維持相當偶數碳數n-石蠟的大熔解潛熱量下，控制相轉移舉動，且改善作為潛熱蓄熱材之特性的石蠟系潛熱蓄熱材組成物為目的。
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，與n-二十烷相比時，熔解潛熱量不會大為減少，並將熔點或凝固點調整於作為蓄熱材之較佳範圍內。熔點或凝固點之調整，由於可藉由以特定量摻合接近n-二十烷之碳數的n-石蠟進行，維持石蠟系潛熱蓄熱材之特長。而且，藉由使用本發明之石蠟系組成物作為潛熱蓄熱材(包含使用作為微膠囊之芯材)，可設計各種的蓄熱機器、蓄熱容器、蓄熱材。
[為實施發明之形態] <石蠟系潛熱蓄熱材組成物>
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，係含有主成分之n-二十烷(C20)，並含有碳數接近n-二十烷之碳數為偶數的n-十八烷(C18)、及/或碳數為奇數之n-十九烷(C19)所形成。而且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，在不會損害本發明效果的範圍內，含有其他的化合物(例如於製造n-石蠟時所混入的醇、或n-石蠟以外之烴、碳數為C18~C20以外之n-石蠟。
具體而言，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其係混合n-二十烷與n-十八烷而成者、混合n-二十烷與n-十九烷而成者、或混合n-二十烷與n-十八烷與n-十九烷而成者。
於本發明中，於製造藉由精餾精製的n-石蠟(C20、C19、C18)為原料之組成物作為n-石蠟時，不需特別考慮 在精餾步驟中限制存在的由一定量碳數接近所成的雜質。於藉由本發明規定的摻合量製得的組成物中，可以n-二十烷、n-十九烷及/或n-十八烷所構成的組成物部分確保作為潛熱蓄熱材之功能。此外，藉由精製醇之脫水反應而得的n-石蠟、藉由費托氏(FT)合成反應而得的n-石蠟亦相同。
例如，市售的此等n-二十烷，係含有一定量之碳數接近的石蠟、烯烴、醇為雜質，惟於本發明之組成物中，該雜質中之n-十九烷、n-十八烷可作為本發明之有效成分的功能，其他的成分不會大為減低本發明之效果。
<n-二十烷(C20)>
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物中n-二十烷之含量，係於合計n-二十烷、n-十八烷及n-十九烷為100質量%時，為83質量%以上。n-二十烷之含量未達83質量%時，無法得到230J/g以上之熔解潛熱量，變得無法利用高熔解潛熱量。較佳者為89質量%以上。
<n-十八烷(C18)>
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物中n-十八烷之含量，於合計n-二十烷、n-十八烷及n-十九烷為100質量%時，為13質量%以下。n-十八烷之含量超過13質量%時，無法得到230J/g以上之熔解潛熱量，變得無法利用高熔解潛熱量。
另外，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，於混合n-二十烷與n-十八烷而成時，n-十八烷之含量為3質量%以上。藉由含有3質量%以上之n-十八烷，可使本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物的熔點降低，並使凝固點上昇。n-十八烷之含量，係以4質量%以上較佳，以5質量%以上更佳。
<n-十九烷(C19)>
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物中n-十九烷之含量，於合計n-二十烷、n-十八烷及n-十九烷為100質量%時，為17質量%以下。n-十九烷之含量超過17質量%時，無法得到230J/g以上之熔解潛熱量，變得無法利用高熔解潛熱量。
另外，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，於混合n-二十烷與n-十九烷而成時，n-十九烷之含量為2質量%以上。藉由含有2質量%以上之n-十九烷，可使本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物的熔點降低，並使凝固點上昇。n-十九烷之含量，係以3質量%以上較佳，以5質量%以上更佳。
<n-十八烷(C18)與n-十九烷(C19)之摻合比例>
於本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物中，含有n-十八烷與n-十九烷時，n-十九烷與n-十八烷之含量(質量%)具有下式(1)之關係時，由於可保持優異的熔解潛熱量，且 得到熔點及凝固點之平衡性優異的組成物，故較佳。其理由雖不明確，本發明人等推測係因具有碳數為偶數與偶數之關係的n-十八烷與n-二十烷之相互作用，及碳數為奇數與偶數之關係的n-十九烷與n-二十烷之相互作用的平衡關係。
0.5≦[n-十九烷之含量]/[n-十八烷之含量]≦10 (1)
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，由混合n-二十烷、n-十八烷及n-十九烷而成時，以n-二十烷83~98質量%、n-十八烷1~13質量%、n-十九烷1~16質量%之比例摻合較佳。摻合量係以n-二十烷85~95質量%、n-十八烷2~10質量%、n-十九烷2~13質量%之比例摻合更佳。
本發明之n-二十烷(C20)、n-十八烷(C18)、n-十九烷(C19)混合系之組成範圍的摘要以三角圖表示時，係第1圖之陰影範圍。第2圖係第1圖之重要部的擴大圖。而且，第2圖中方型括號內的數字([1]~[5])，係對應下述實施例之編號，而圓形括號內之數字((1)~(6))，係對應下述比較例之編號。在該範圍內可得優異特性之理由雖不明確，惟本發明人等推測係藉由接近的碳數為偶數之n-石蠟與碳數為奇數之n-石蠟(n-十八烷與n-二十烷間、n-十九烷與n-二十烷間)，在熔解、凝固時相轉移過程的相互作用關係。
此外，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物的熔點，係 比n-二十烷之熔點更低者。實際上於使用潛熱材時最適合的熔點，係視用途而不同，藉由比n-二十烷之熔點更低，可設計使用時具有更有效果的熔解溫度之蓄熱材。
另外，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，係以凝固點為30℃以上較佳。藉由凝固點為30℃以上，於使蓄熱材凝固時，可在比實際使用溫度之必要以上的溫度，不會使蓄熱材冷卻而予以凝固。
<其他成分>
於本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物中，除上述n-石蠟外，在不會損害本發明目的之範圍內，亦可含有(i)碳數18~20以外之碳數的n-石蠟；(ii)異石蠟、烯烴、萘、芳香族化合物；(iii)於製造n-石蠟時混入的醇等之成分。
此外，使用本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，製造加工製品時可添加(外添加)者，例如(i)樹脂單體、聚合劑、界面活性劑等於製造微膠囊等之應用製品時所使用的物質；(ii)抗氧化劑、紫外線吸收劑等之一般使用的添加劑；(iii)比重調整劑、顏料或染料等之著色劑、芳香劑、凝膠化劑等之添加劑；等。
<長鏈石蠟之添加>
本發明之n-石蠟組成物，係以n-二十烷(C20)為最大鏈長之n-石蠟系組成物，其他存在的n-石蠟，實質上係以n-十八烷(C18)及/或n-十九烷(C19)較佳。根據本發明 人等之檢討，長鏈石蠟、例如混合本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物與C21以上之長鏈石蠟時，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物與長鏈石蠟熔解等之相轉移的相互作用，會大為減低本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物之熔解潛熱。其次，C21以上之長鏈石蠟，係包含具有直鏈狀聚乙烯之聚合部分中的結晶部分等之長鏈石蠟構造者。使用本發明之石蠟系組成物作為潛熱蓄熱材時，以儘可能避免與C21以上之長鏈石蠟之相互作用較佳。
<用語之定義> <熔解潛熱量(熔解熱)>
本發明之熔解潛熱量(熔解熱)，係伴隨自固相相轉移至液相時之潛熱量，於本發明中係指DSC示差熱圖上所呈現的熔解(吸熱)波峰之熱量，DSC示差熱圖呈現複數個波峰時，係指具有28℃以上之熔點，且具有最大熱量之波峰(主波峰)之熱量。本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物之熔解潛熱量，例如可使用示差掃描熱量計(SEIKO INSTRUMENTS公司製DSC7020)，使冷卻至-30℃之石蠟系蓄熱材組成物，以昇溫速度10℃/分鐘進行測定時之DSC示差熱圖中之熔點波峰求得。
<熔點>
本發明之熔點，係指例如使用示差掃描熱量計(SEIKO INSTRUMENTS公司製DSC7020)，使冷卻至-30 ℃之石蠟系蓄熱材組成物，以昇溫速度10℃/分鐘進行加熱時所得的DSC示差熱圖上之熔解(吸熱)波峰的最大傾斜接線與基線相交點的溫度。石蠟系潛熱蓄熱材組成物(n-石蠟組成物)之熔點，於含有多成分之組成物時，通常亦可以1點表示，惟呈現2個以上波峰時，係指於較28℃更高溫側所呈現，且具有最大熱量之波峰(主波峰)的最大傾斜接線與基線相交點之溫度。
<凝固點>
本發明之凝固點，係指例如使用示差掃描熱量計(SEIKO INSTRUMENTS公司製DSC7020)，使加熱至70℃之石蠟系蓄熱材組成物，以降溫速度10℃/分鐘冷卻時所得的DSC示差熱圖上之凝固(發熱)波峰的最大傾斜接線與基線相交點的溫度。石蠟系潛熱蓄熱材組成物(n-石蠟組成物)之凝固點，於含有多成分之組成物時，通常亦可以1點表示，惟呈現2個以上波峰時，係指於較28℃更高溫側所呈現，且具有最大熱量之波峰(主波峰)的最大傾斜接線與基線相交點之溫度。
<凝固熱>
本發明之凝固熱，係伴隨自液相相轉移至固相時之潛熱量，於本發明中係指DSC示差熱圖中所呈現的凝固(發熱)波峰之熱量，DSC示差熱圖中呈現複數個波峰時，係指具有28℃以上之凝固點，且具有最大熱量之波峰(主波 峰)的熱量。
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物之凝固熱，例如可使用示差掃描熱量計(SEIKO INSTRUMENTS公司製DSC7020)，使加熱至70℃之石蠟系蓄熱材組成物，以降溫速度10℃/分鐘進行測定時之DSC示差熱圖上之凝固波峰求得。
<熔點與凝固點之差>
熔點與凝固點之差，係表示自熔點與凝固點中任一方較高溫度減去較低溫度之差異值(「熔點及凝固點中任一方較高的溫度」-「熔點及凝固點中任一方較低的溫度」)。
熔點與凝固點之差，沒有特別的限制，可視目的而定適當地選擇，以5℃以下較佳，以4℃以下更佳，以3℃以下最佳。
熔點與凝固點之差大於5℃時，運作溫度範圍變得過於廣泛，無法在使用目的之溫度範圍內，有效地進行潛熱之吸收及放出。另外，熔點與凝固點之差為4℃以下或3℃以下時，就可在狹窄的溫度範圍內重複利用大量的潛熱吸收．放出而言極為有利。
[第1圖]第1圖係表示n-二十烷(C20)、n-十八烷(C18)、n-十九烷(C19)混合系中本發明之石蠟系潛熱蓄熱 材組成物之組成範圍圖。
[第2圖]第2圖係表示n-二十烷(C20)、n-十八烷(C18)、n-十九烷(C19)混合系中本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物之組成範圍的重要部擴大圖。
於下述中，以實施例更詳細地說明本發明，惟本發明不受下述實施例所限制。
[實施例] (實施例1~5及比較例1~6)
以指定量摻合n-二十烷(SIGMA-ALDRICH製試藥99%等級)、n-十八烷(東京化成工業製試藥GR級)及n-十九烷(東京化成工業製試藥GR級)，調製實施例1~5及比較例1~6之石蠟系潛熱蓄熱材組成物。由於試藥之純度約為99%，以氣體色層分析各組成，並自波鋒面積確認組成物之組成。有關各組成物，係測定熔點、熔解潛熱量、凝固點、凝固熱。結果如表1、第2圖表示。
由表1及第2圖之結果可知，令人滿足本發明之組成條件的實施例之組成物，與無法令人滿足的比較例之組成物相比時，具有超過230J/g之大熔解潛熱、比n-二十烷更低的熔點、及比n-二十烷更小的過冷卻度(即具熔點與凝固點之差值)。
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，係具有大的熔解潛熱量，並可將熔點或凝固點調整於作為蓄熱材之較佳範圍內。此外，調整係藉由碳數接近的n-石蠟之特定摻合予以進行，可維持石蠟系潛熱蓄熱材之特長。而且，藉由使用本發明之石蠟系組成物作為潛熱蓄熱材(包含使用作為微膠囊之芯材)，可設計各種的蓄熱機器、蓄熱容器、蓄熱材。
[產業上之利用價值]
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，特別是適合作為使用於追加對建築物之保溫保冷及室內與室外間之溫度遮蔽功能，或賦予日用品及衣料品等之夏天具冷卻感或冬季具保溫功能等之蓄熱材。

Claims (6)

  1. 一種石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其係含有n-二十烷、與n-十八烷及/或n-十九烷之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其特徵為1)含有n-二十烷83質量%以上、n-十八烷13質量%以下、n-十九烷17質量%以下之比例，2)熔點比n-二十烷之熔點更低，3)熔解潛熱量為230J/g以上。
  2. 如請求項1之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其係於含有n-十九烷及n-十八烷時，n-十九烷與n-十八烷之含量(質量%)為下述式(1)之關係，0.5≦[n-十九烷之含量]/[n-十八烷之含量]≦10 (1)。
  3. 如請求項1之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其中凝固點為30℃以上。
  4. 如請求項2之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其中凝固點為30℃以上。
  5. 如請求項1~4中任一項之石蠟系潛熱蓄熱材組成物，其中熔點與凝固點之差未達3℃。
  6. 一種作為石蠟系組成物之潛熱蓄熱材之使用，其係作為由混合n-二十烷、n-十八烷及/或n-十九烷而成的石蠟系組成物之潛熱蓄熱材之使用，其特徵為前述石蠟系組成物係1)含有n-二十烷83質量%以上、n-十八烷13質量%以下、n-十九烷17質量%以下之比例， 2)熔點比n-二十烷之熔點更低，3)熔解潛熱量為230J/g以上。
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