TW201509907A - 石蠟系潛熱蓄熱材料組成物及作為石蠟系潛熱蓄熱材料組成物之使用 - Google Patents

石蠟系潛熱蓄熱材料組成物及作為石蠟系潛熱蓄熱材料組成物之使用 Download PDF

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Masaaki Kobayashi
Yoshihiro Morinaga
Toshiyuki Tsutsumi
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Abstract

本發明為提供一種石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，其具有融點接近n-十七烷之融點，且具有較大的融解潛熱。本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物實質上是由n-十八烷、n-十六烷及/或n-十七烷所構成之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，並以76質量%以上之n-十八烷，23質量%以下之n-十六烷，23質量%以下之n-十七烷(3種合計為100質量%)之比例而含有，且融點較n-十八烷低，具有210J/g以上之融解潛熱量。

Description

石蠟系潛熱蓄熱材料組成物及作為石蠟系潛熱蓄熱材料組成物之使用
本發明關於一種將n-十八烷作為主成分，並伴隨相位改變之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物。更詳細來說是關於一種，藉由以特定量添加碳數接近n-十八烷之n-十六烷及/或n-十七烷，在具有與n-十八烷本身相異之融點的同時，亦控制相位轉移行為，來改良潛熱蓄熱材料之特性的石蠟系潛熱蓄熱材料組成物。
近年來，為了將生活環境之能源有效利用之目的，將伴隨液相與固相之相位改變的潛熱蓄熱材料，使用於有使用蓄熱式空調機器、蓄熱式建材、各種保溫器具或裝置、保冷劑等中。利用伴隨相位改變之潛熱之方法由於具有：能夠在產生相位改變之溫度範圍內儲存大熱量、能夠縮小蓄熱材料容量、蓄熱量較大又不會產生大的溫度差，故能夠少量抑制熱量損失等優點，有提案各種潛熱蓄熱材料。
其代表例之一為石蠟系潛熱蓄熱材料。在生 活溫度區域(5~30℃)具有融點及凝固點之一般石蠟(以下記為n-石蠟)類所構成的潛熱蓄熱材料具有：不需要經由複雜的化學反應，即能由石油分餾所得、化學性安定、無腐食性等優點。探討對象的中心是：以碳數12~22之範圍的n-石蠟，特別是融解熱較大之偶數碳數石蠟作為中心，並以潛熱之有效利用或抑制過冷卻現象為目的，探討與各種添加劑之調合。
n-十八烷其融解潛熱量為246J/g之較大的潛熱 量，並具有作為潛熱蓄熱材料之優異特性。然而，融點為28℃，故作為蓄熱材料使用時，有時會些許過高，且，以單一成分作為蓄熱材料使用時，有時會引起大幅度得過冷卻。
作為n-石蠟系之蓄熱材料，在專利文獻1中 有記載由n-十六烷與n-四癸烷之混合物所構成，且重量份以99：1~65：35之摻混比例，融點為9~17℃之蓄熱材料。然而，專利文獻1中雖然有揭示藉由變更n-十六烷與n-四癸烷的摻混比，能夠來調整融點或在特定溫度區域中的吸熱量等特性，但是並沒有揭示關於含有融解潛熱量之控制。
專利文獻2中有揭示一種實質上由碳數13~16 之範圍之一般石蠟成分之混合物所構成的蓄熱材料，且偶數碳數之石蠟混合物間，或奇數碳數之石蠟混合物中，將各成分以重量為10：90~90：10之比例摻混時，能夠調整凝固點、融點之特性。然而，專利文獻2中，並沒有揭示 含有融解潛熱量之控制，雖然關於偶數(Cn)、奇數(Cn+1)、偶數(Cn+2)之3成分系，僅有1例有揭示同樣的探討結果，但是並沒有揭示含有融解潛熱量之控制。
專利文獻3中有揭示一種蓄熱材料，其由包 含下述之膠狀物所構成：選自n-十六烷、n-十七烷、n-四癸烷中之1種或複數種所構成之n-石蠟(組成物)、與選自具有C8成分之長度之側鏈的直鏈狀低密度聚乙烯等中之膠化劑。然而，專利文獻3並非含有n-十八烷，也沒有揭示在n-石蠟混合物間之含有融解潛熱量之控制。
專利文獻4中有揭示由n-十七烷、n-十八 烷、n-十九烷之3種所構成之n-石蠟組成物。專利文獻4中雖然有記載以上述成分之特定摻混比，會維持超過200J/g的潛熱量，但並非由n-十八烷、與n-十六烷、及/或n-十七烷所構成之混合物。
專利文獻5~7中有揭示，作為封入微粒膠囊 中之石蠟系潛熱蓄熱材料，有使用n-十八烷60份與n-十六烷20份(質量份換算為n-十八烷75質量%，n-十六烷25質量%)之混合物。然而，專利文獻5~7中，並沒有揭示關於在n-石蠟混合物間之含有融解潛熱量之控制，且，於上述組成中，融解潛熱量較小。
專利文獻8中有揭示一種凝膠，其係將80質 量份之n-十八烷、20質量份之n-十六烷直接混合於12質量份之SEBS構造的熱可塑性彈性體、5質量份之直鏈狀聚乙烯中。然而，專利文獻8中所使用之直鏈狀聚乙烯具 有結晶部分，且該結晶部分能夠看成是(大幅超越C18)長鏈石蠟，n-十八烷等之n-石蠟混合物的融解行為，特別是融解潛熱，會因為與該長鏈石蠟之相互作用，而有降低之問題。
專利文獻9中有記載一種被覆材料用蓄熱材 料，其係將十六烷、十七烷、十八烷、十九烷、及二十烷之混合物作為蓄熱材料使用。然而，專利文獻9並非由n-十八烷、與n-十六烷、及/或n-十七烷所構成之混合物，融解潛熱量也較小。
如以上所述，提案活用n-十八烷之融解潛熱 量的大小，並進行融點之低下與過冷卻防止之特性的技術尚有不足。
且，作為石蠟系潛熱蓄熱材料組成物之融解潛熱量，一般來說為200J/g以上較佳，若融解潛熱量未滿200J/g，有效的潛熱量(蓄熱量)會變小，用來作為冷暖房用途或對建築物之保溫‧保冷用途、室內與室外之間的溫度遮蔽機能材料、日常用品及衣物等夏天涼快感或冬季的保溫機能之機能材料、冷藏保存容器、冷熱搬送媒體、防凍結劑等時，有時會變得無法發揮充足的效果。
〔先前技術文獻〕 〔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2001-81447號公報
[專利文獻6]日本特開2001-98259號公報
[專利文獻7]日本特開2002-310582號公報
[專利文獻8]日本特開平05-214672號公報
[專利文獻9]日本特開2005-307381號公報
本發明有鑑於上述，以提供一種石蠟系潛熱 蓄熱材料組成物，其係維持在與偶數碳數之n-石蠟一樣大的融解潛熱量，並控制相位轉移行為，來改良作為潛熱蓄熱材料之特性。
本發明者們，為了達成上述目的而進行縝密 探討之結果發現，藉由以特定量添加碳數接近於n-十八烷的2種碳數為偶數及/或奇數之n-石蠟，且維持在與偶數碳數之n-石蠟一樣大的融解潛熱量，並控制相位轉移行為，即能夠改良且控制潛熱蓄熱材料特性，進而完成本發明。
亦即，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物 為一種實質上由n-十八烷、與n-十六烷、及/或n-十七烷 所構成之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，且其特徵為1)由76質量%以上之n-十八烷、23質量%以下之n-十六烷、23質量%以下之n-十七烷(合計100質量份)所構成，2)融點較n-十八烷之融點低，3)融解潛熱量為210J/g以上。
且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物在 上述發明中，包含n-十七烷與n-十六烷時，n-十七烷與n-十六烷之含有量(質量%)為下式(1)之關係。
0.1≦[n-十七烷含有量]/[n-十六烷含有量]≦10 (1)
且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物在上述發明中，包含n-十七烷與n-十六烷時，n-十七烷與n-十六烷之含有量(質量%)為下式(2)之關係。
0.5≦[n-十七烷含有量]/[n-十六烷含有量]≦10 (2)
且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物在上述發明中，凝固點為20℃以上。
且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物在上述發明中，其係實質上由n-十八烷、與n-十六烷、及/或n-十七烷所構成之石蠟系組成物作為潛熱蓄熱材料之使用，且其特徵為前述石蠟系組成物為，1)由混合n-十八烷、與n-十六烷、及/或n-十七烷所成，其組成為76質量%以上之n-十八烷，23質量%以下之n-十六烷，23質量%以下之n-十七烷(合計為100質量%)，2)融點較n-十八烷之融點低，3)融解潛熱量為210J/g以上。
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，相較 於n-十八烷，融解潛熱量不會大幅減少，並將融點或凝固點調整至作為蓄熱材料較佳的範圍中。融點或凝固點之調整，由於能夠以特定量摻混碳數接近於n-十八烷之n-石蠟來進行，而維持石蠟系潛熱蓄熱材料之優點。且，藉由將本發明相關之石蠟系組成物作為潛熱蓄熱材料之使用(包含作為以微粒膠囊之核心材料或膠化劑而固化之蓄熱材料中的蓄熱成分之使用)，能夠設計各種蓄熱機器、蓄熱容器、蓄熱材料。
[圖1]圖1表示n-十八烷(C18)、n-十六烷(C16)、n-十七烷(C17)之混合系中，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物的組成區域之圖。
[圖2]圖2為n-十八烷(C18)、n-十六烷(C16)、n-十七烷(C17)之混合系中，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物的組成區域之重要部分擴大圖。
<石蠟系潛熱蓄熱材料組成物>
本發明相關之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物中，除了主 成分之n-十八烷(C18)之外，亦由含有碳數接近，且碳數為偶數之n-十六烷(C16)、及/或碳數為奇數之n-十七烷(C17)所成。
本發明中，作為n-石蠟，將以精餾所純化之n-石蠟(C18、C17、C16)作為原料來製造組成物時，並不需要特別考慮因為精餾步驟上的約束而被包含於其中之少量接近碳數所構成之雜質的存在。是因為由本發明所規定之摻混而得的組成物中，以n-十八烷、n-十六烷及/或n-十七烷所構成之組成物部分，即能夠確保作為潛熱蓄熱材料之機能。且，由純化乙醇之脫水反應所得之n-石蠟、由費托氏法(FT)合成反應所得之n-石蠟亦相同。
例如，市售之此等之n-十八烷雖然含有少量碳數接近之石蠟、烯類、乙醇之雜質，但本發明相關之組成物中，其雜質中的n-十七烷、n-十六烷是作為本發明相關之有效成分而產生機能，其他成分並不會對本發明之效果有大幅的損壞。
<n-十八烷(C18)>
作為本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物中的n-十八烷之含有量，將n-十八烷、n-十六烷及n-十七烷合計為100質量%時，為76質量%以上。n-十八烷之含有量未滿76質量%時，則無法得到210J/g以上之融解潛熱量，高融解潛熱量的利用變為困難。較佳為85質量%以上，能夠安定地得到230J/g以上之融解潛熱量。
<n-十六烷(C16)>
作為本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物中的n-十六烷(C16)之含有量，將n-十八烷(C18)、n-十六烷(C16)及n-十七烷(C17)合計為100質量%時，為23質量%以下。n-十六烷之含有量超過23質量%時，則無法得到210J/g以上之融解潛熱量，高融解潛熱量的利用變為困難。
且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料由混合n-十八烷與n-十六烷所構成時，n-十六烷之含有量為3質量%以上。藉由含有3質量%以上之n-十六烷，能夠將本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料的融點下降，且使凝固點上昇。n-十六烷之含有量為4質量%以上較佳，為5質量%以上更佳。
<n-十七烷(C17)>
作為本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物中的n-十七烷(C17)之含有量，將n-十八烷(C18)、n-十六烷(C16)及n-十七烷(C17)合計為100質量%時，為23質量%以下。n-十七烷之含有量超過23質量%時，則無法得到210J/g以上之融解潛熱量，且高融解潛熱量的利用變為困難。
且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料由n-十八烷與n-十七烷混合所構成時，n-十七烷之含有量為3質量%以上。藉由含有3質量%以上之n-十七烷，能夠將本發明之 石蠟系潛熱蓄熱材料的融點下降，且使凝固點上昇。n-十七烷之含有量為4質量%以上較佳，為5質量%以上更佳。
<n-十六烷(C16)與n-十七烷(C17)之摻混比>
本發明相關之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物中，包含n-十六烷與n-十七烷時，n-十七烷與n-十六烷之含有量(質量%)為下式(1)之關係時，能得到保持優異的融解潛熱量，且融點及凝固點平衡優異之組成物，故較佳。雖其理由尚未明朗，但本發明者們認為與碳數為偶數與偶數之關係的n-十六烷與n-十八烷的相互作用、與碳數為奇數與偶數之關係的n-十七烷與n-十八烷的相互作用之平衡有關係。
0.1≦[n-十七烷含有量]/[n-十六烷含有量]≦10 (1)
本發明相關之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物中，含有n-十六烷與n-十七烷，且n-十七烷與n-十六烷之含有量為下式(2)之關係時，能夠得到具有更優異之融解潛熱量，且融點、凝固點之平衡優異的組成物。
0.5≦[n-十七烷含有量]/[n-十六烷含有量]≦10 (2)
本發明相關之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物由n-十八烷、n-十六烷及n-十七烷混合所構成時，以n-十八烷為76~98質量%，n-十六烷為1~20質量%，n-十七烷為 1~21質量%之比例來摻混較佳。摻混量以76~95質量%之n-十八烷、2~18質量%之n-十六烷、2~21質量%之n-十七烷的比例來摻混更佳。
本發明相關之n-十八烷(C18)、n-十六烷(C16)、n-十七烷(C17)混合系中的組成區域之概要以三角圖型來表示的話，是圖1中有影子的區域。圖2為圖1之重要部分的擴大圖。且，圖2中，角括弧中的數字([1]~[8])是對應於後述實施例的號碼，圓括弧中的數字((1)~(5))是對應於後述比較例的號碼。該區域中，能夠得到優異之特性的理由尚未明朗，但本發明者們認為是，接近之碳數為偶數的n-石蠟、與碳數為奇數的n-石蠟(n-十六烷與n-十八烷之間，n-十七烷與n-十八烷之間)，其在融解、凝固中之相位轉移過程中的相互作用所造成。
且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物的融點較n-十八烷之融點低。實際上，使用蓄熱材料時最適當的融點會因為用途而相異，由於本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物之融點較n-十八烷之融點低，故能夠設計為在使用時具有效果的融解溫度之蓄熱材料。
且，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，其凝固點為20℃以上較佳。藉由凝固點為20℃以上，不需要在必要以上將蓄熱材料冷卻至使蓄熱材料凝固時實際的使用溫度，即能夠使之凝固。
<其他成分>
使用本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，來製造加工製品時，作為能夠添加(外添加)者，有列舉(i)製造樹脂單體、聚合劑、界面活性劑等微粒膠囊等之應用製品時所使用之物質；(ii)抗氧化劑、紫外線吸收劑等通常所使用之添加劑；(iii)比重調整劑、顏料或染料等著色劑、芳香劑、膠化劑等添加劑等。
<長鏈石蠟之添加>
本發明相關之n-石蠟組成物為將n-十八烷(C18)作為最大鏈長的n-石蠟系組成物，將其他所存在的n-石蠟實質上限定成n-十六烷、及/或n十七烷。由本發明者們之探討得知，將長鏈石蠟，例如本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物與C19以上之長鏈石蠟混合時，本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物與長鏈石蠟之間的融解等相位轉移中的相互作用，會使本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物的融解潛熱大幅減少。且，C19以上之長鏈石蠟中，包含具有直鏈狀聚乙烯之聚合部分中的結晶部分等長鏈石蠟構造之物。在作為本發明相關之石蠟系組成物之潛熱蓄熱材料來使用時，應盡可能避免與C19以上之長鏈石蠟的相互作用。
<用語之定義> <融解潛熱量(融解熱)>
本發明中的融解潛熱量(融解熱)意指，從固相相位 轉移至液相時所伴隨的潛熱量，在本發明中，是指DSC示差掃描熱分析中出現的融解(吸熱)波峰之熱量，DSC示差掃描熱分析顯示複數波峰時，具有18℃以上之融點，並具有最大熱量之波峰(主波峰)的熱量。本發明相關之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物之融解潛熱量，能夠使用例如示差掃描式熱量計(Seiko Instruments Inc.公司製DSC7020)，將冷卻至-50℃的石蠟系潛熱蓄熱材料組成物由以昇溫速度10℃/分所測定時，DSC示差掃描熱分析上的融解波峰求出。
<融點>
本發明中的融點意指，例如使用示差掃描式熱量計(Seiko Instruments Inc.公司製DSC7020)，將冷卻至-50℃的石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，以昇溫速度10℃/分加熱後，所得之DSC示差掃描熱分析的融解(吸熱)波峰之最大傾斜之接線與基準線之交會點的溫度。石蠟系潛熱蓄熱材料組成物(一般石蠟組成物)之融點，在包含多成分之組成物時，通常能以1點來表示，但出現2個以上的波峰時，是出現在比18℃高溫之側，且具有較大熱量之波峰(主波峰)的最大傾斜之接線與基準線之交會點之溫度。
<凝固點>
本發明中的凝固點意指，例如使用示差掃描式熱量計 (Seiko Instruments Inc.公司製DSC7020)，將加熱至50℃的石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，以降溫速度10℃/分冷卻後，所得之DSC示差掃描熱分析之凝固(發熱)波峰之最大傾斜的接線與基準線之交會點之溫度。石蠟系潛熱蓄熱材料組成物(一般石蠟組成物)之凝固點，在包含多成分之組成物時，通常能以1點來表示，但出現2個以上之波峰時，是出現在比18℃高溫之側，且具有較大熱量之波峰(主波峰)的最大傾斜之接線與基準線之交會點之溫度。
<凝固熱>
本發明中的凝固熱意指，由液相相位轉移至固相時所伴隨的潛熱量，並意指DSC示差掃描熱分析中出現的凝固(發熱)波峰之熱量，DSC示差掃描熱分析中表示複數波峰時，具有18℃以上之凝固點，並意指具有最大之較大熱量之波峰(主波峰)的熱量。
本發明相關之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物之凝固熱，是由例如使用示差掃描式熱量計(Seiko Instruments Inc.公司製DSC7020)，將加熱至50℃之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，以降溫速度為10℃/分下冷卻時，其DSC示差掃描熱分析上之凝固波峰所求出。
<融點與凝固點之差>
融點與凝固點之差意指，融點及凝固點中較高那一方 的溫度減去較低那一方的溫度之值(「融點及之凝固點中較高那一方的溫度」-「融點及凝固點中較低那一方的溫度」)。
作為融點與凝固點之差，雖無特別限制，但能夠因應其目的而適當地選擇，以5℃以下較佳，4℃以下更佳，3℃以下特別佳。前述融點與凝固點之差比5℃大時，作動溫度範圍會變得太廣，在使用目的的溫度區域中，其效率良好的潛熱之吸收及放出變為困難。另一方面，前述融點與凝固點之差，若為4℃以下或3℃以下，以在狹窄的溫度範圍內能重複利用大量潛熱之吸收‧放出之點而言，較有利。
[實施例]
以下舉出實施例，來更詳細說明本發明，但本發明並非限定於下述之實施例中的任一者。
(實施例1~8及比較例1~5)
將n-十八烷(東京化成工業製試藥GR級)，n-十六烷(關東化學製試藥鹿特級)及n-十七烷(東京化成工業製試藥GR級)以特定量來摻混，來調製實施例1~8及比較例1~5的石蠟系潛熱蓄熱材料組成物。由於試藥之純度為98%左右，故將各組成以殘留色譜分析，由波峰面積來確認組成物之組成。針對各組成物，測定融點、融解潛熱量、凝固點、凝固熱。將結果表示於表1、圖2中。
由表1、及圖2之結果得知，滿足本發明中之 組成條件的實施例之組成物，相較於不滿足之比較例的組成物，有超過210J/g之較大的融解潛熱、比n-十八烷更低之融點、及不顯示過冷卻，且融點與凝固點之差未滿5℃，並具有狹窄之作動溫度範圍。
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物具有較大之融解潛熱量，同時融點與凝固點被調整至作為蓄熱材料較佳的範圍內。且，調整是以接近碳數之n-石蠟的特定 摻混來進行，並維持石蠟系潛熱蓄熱材料的特點。且，藉由本發明相關之石蠟系組成物作為潛熱蓄熱材料之使用(包含作為微粒膠囊之核心材料之使用)，能夠為各種蓄熱機器、蓄熱容器、蓄熱材料之設計。
〔產業上可利用性〕
本發明之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物特別適合作為用於對建築物的保溫保冷及室內與室外之間的溫度遮蔽機能之追加、或日用品及衣物等夏季的涼快感或冬季的保溫機能之貢獻等之蓄熱材料。

Claims (5)

  1. 一種石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，其係由n-十八烷、與n-十六烷、及/或n-十七烷所構成之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，其特徵為：1)由76質量%以上之n-十八烷、23質量%以下之n-十六烷、23質量%以下之n-十七烷(合計為100質量%)所構成，2)融點較n-十八烷之融點低，3)融解潛熱量為210J/g以上。
  2. 如請求項1之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，其中含有n-十七烷與n-十六烷時，n-十七烷與n-十六烷之含有量(質量%)為下式(1)之關係：0.1≦[n-十七烷含有量]/[n-十六烷含有量]≦10 (1)。
  3. 如請求項1之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，其中含有n-十七烷與n-十六烷時，n-十七烷與n-十六烷之含有量(質量%)為下式(2)之關係，0.5≦[n-十七烷含有量]/[n-十六烷含有量]≦10 (2)。
  4. 如請求項1~3中任一項之石蠟系潛熱蓄熱材料組成物，其凝固點為20℃以上。
  5. 一種石蠟系組成物作為潛熱蓄熱材料之使用，其係由n-十八烷、與n-十六烷、及/或n-十七烷所構成之石蠟系組成物作為潛熱蓄熱材料之使用，其特徵為：前述石蠟系組成物為，1)由混合n-十八烷、與n-十六烷、及/或n-十七烷所 成，其組成為：76質量%以上之n-十八烷、23質量%以下之n-十六烷、23質量%以下之n-十七烷(合計100質量%)，2)融點較n-十八烷之融點低，3)融解潛熱量為210J/g以上。
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