專利名稱：一種相變儲能熱墊及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能性復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種相變儲能熱墊及其制備方法。
背景技術(shù)：
能源利用領(lǐng)域中最重要的課題是節(jié)能與環(huán)保，而相變蓄能技術(shù)是利用相變材料的相變潛熱進(jìn)行能量貯存(蓄熱、蓄冷)的一項(xiàng)新型環(huán)保節(jié)能技術(shù)，可以緩解能量雙方在時間、強(qiáng)度及地點(diǎn)上不匹配，是合理利用能源及減輕環(huán)境污染的有效途徑，也是提高能源利用率的有效手段。利用蓄能技術(shù)，將供大于求時的能量儲存起來，供需要時使用，這樣既可以提高能源的利用率也可以緩解能源利用的緊迫性。充分利用相變潛熱蓄能成為科研領(lǐng)域的執(zhí)占。相變儲能材料能夠在其物相變化過程中，從外部環(huán)境中吸收熱(冷)量或向環(huán)境釋放熱(冷)量，從而實(shí)現(xiàn)能量的儲存和釋放。利用相變儲能材料的這種特征，可將其應(yīng)用于太陽能利用、電力的“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用、工業(yè)與民用建筑供暖和空調(diào)的節(jié)能以及航空航天、紡織工業(yè)等領(lǐng)域。因此相變儲能材料日益受到人們的重視，具有廣泛的應(yīng)用前景。國外對相變材料(PCM)的研究工作早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始，當(dāng)時的研究主要是以節(jié)能為目的，主要集中在無機(jī)鹽水合物方面。但無機(jī)鹽水合物材料的缺點(diǎn)是存在較大的過冷度和明顯的析出現(xiàn)象，以及周期操作下的熱穩(wěn)定性問題。即使添加了成核劑和分散劑仍無法有效解決，限制了共晶鹽的應(yīng)用。然而以石蠟、烷烴、脂肪酸為代表的有機(jī)物是目前國內(nèi)外研究有機(jī)相變材料的重點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在熱穩(wěn)定性好，價格較便宜，熱貯存密度大，熱穩(wěn)定性較好，無腐蝕性，無水合鹽類相變材料的過冷和相分層現(xiàn)象；缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)很低，致使其在蓄熱系統(tǒng)的應(yīng)用中表現(xiàn)出傳熱性能差、蓄熱利用率低的缺點(diǎn)，從而降低了系統(tǒng)的效能，極大限制了有機(jī)相變材料的應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明正是應(yīng)用相變材料本身導(dǎo)熱性能差的特點(diǎn)，對這個缺點(diǎn)加以利用和改進(jìn)，并結(jié)合化學(xué)熱力學(xué)及生理衛(wèi)生學(xué)方面的知識，從改變?nèi)祟悅鹘y(tǒng)被動式御寒保暖方式，轉(zhuǎn)向主動變熱調(diào)溫的方式為出發(fā)點(diǎn)，研制智能 “相變蓄熱墊”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種相變儲能熱墊及其制備方法，以改善結(jié)晶水合鹽的過冷和相分離現(xiàn)象，硬脂酸的導(dǎo)熱系數(shù)小等問題，同時使相變材料具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、高模量、高耐劃痕、耐腐蝕、低密度、良好的柔韌性、較強(qiáng)的蓄熱能力等特性。除此之外，還具有操作簡單，過程易于控制，合成溫度低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供了一種相變儲能熱墊。該熱墊由面料層，保護(hù)層和主體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中的主體結(jié)構(gòu)由海綿層1、蓄熱層2、加熱層3、絕熱層4四部分組成，主體結(jié)構(gòu)最里層為加熱層 3，加熱層3之外上層為蓄熱層2，下層為絕熱層4，絕熱層4和蓄熱層2之外為海綿層1 ；主體結(jié)構(gòu)的外圍從內(nèi)到外依次為保護(hù)層5和面料層6，保護(hù)層5材料為氫綸，面料層6材料為棉質(zhì)材料。在蓄熱層2中填充的相變儲能材料是硬脂酸與Na2HPO4 · 12H20的物理融合物，融合的質(zhì)量比例是2 3，并同時加入質(zhì)量百分比為的聚丙烯酰胺。本發(fā)明所采用的相變材料中，硬脂酸分子式為C18H36O2,為白色單斜晶系棱柱體，是一種以甘油酯形式存在于動物脂肪中的飽和脂肪酸。熔點(diǎn)一般在60-70°C之間。沸點(diǎn)(1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)為383°C。不易發(fā)生自氧化、還原、加成等化學(xué)反應(yīng)。脂肪酸同時具有脫水和熱分解的性質(zhì)，但熱分解脫水要在350°C以上才可以發(fā)生。硬脂酸作為常用的相變材料，具有較高的潛熱值、無過冷和析出、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種無毒無腐蝕性物質(zhì)，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)小。Na2HPO4 · 12H20，又稱作十二水合磷酸氫二鈉，白色或無色單斜晶系棱形晶體，無毒，熔點(diǎn)35°C左右，比重1. 52，非在強(qiáng)酸的環(huán)境下，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在溫度為125°C時失去全部結(jié)晶水成無水物，250°C分解成焦磷酸鈉。具有高潛熱值，蓄熱、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)， 缺點(diǎn)是存在過冷現(xiàn)象。本發(fā)明所采用的加層海綿一是可以使人感覺到舒適，二是可以起到間接傳熱的作用。海綿的厚度視選用海綿材料的不同品質(zhì)而定，一般在4-5cm。本發(fā)明所采用的蓄熱材料和加熱層是熱墊的主體，加熱主要通過利用電源加熱蓄熱材料的形式，在環(huán)境溫暖舒適，不需要進(jìn)行取暖的情況下，通過電源來給熱墊進(jìn)行蓄熱， 以保存熱量。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，人們需要取暖時，再通過蓄熱材料把能量傳遞給人體，實(shí)現(xiàn)能源的間歇式利用。為了盡量避免或減少相變過程中由于液相的流動而使材料在蓄熱層中出現(xiàn)不均勻而導(dǎo)致熱墊發(fā)熱表面的不均勻性，在蓄熱層封裝了一層起支撐作用的框架，在一定程度上能夠固定蓄熱材料流動變形。加熱層厚度在l-2cm之間。本發(fā)明所采用的絕熱層材料是開孔式海綿橡膠，厚度為2_3cm，作用是在加熱和放熱的時候盡量使熱量向有用一側(cè)傳遞。本發(fā)明所采用的加熱膜是自制的簡單實(shí)用，廉價的薄膜。其加熱面是通過高熱阻的硅膠螺旋發(fā)熱線纏繞滌綸布面而成的加熱形式，其中發(fā)熱線部分是耐高溫，耐腐蝕，表皮橡膠絕緣性高，熱輻射性能良好的發(fā)熱材料。整個加熱部分加熱功率為40W，表面加熱溫度在120°C時，無異?，F(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)然，如果加熱時間過長，可以考慮在熱墊加熱膜中安裝恒溫
直ο本發(fā)明還提供了這種相變儲能熱墊的制備方法，該制備方法包括兩大步驟，第一步，相變儲能材料的制備，主要采用溶膠-凝膠法，第二步，“相變儲能熱墊”的制備。具體包括以下步驟步驟1 相變儲能材料的的制備步驟1. 1 將硬脂酸置于三口燒瓶中，通過恒溫磁力加熱攪拌器，在75°C時加熱攪拌至硬脂酸全部溶解；步驟1. 2 將干燥的Na2HPO4 · 12H20研成粉末，以硬脂酸與Na2HPO4 · 12H20的質(zhì)量比為3 2的比例緩慢均勻地加入熔融的硬脂酸中，同時加入質(zhì)量百分比為的聚丙烯酰胺；步驟1. 3 持續(xù)攪拌10分鐘，得乳白色膠狀體；
步驟1. 4 對膠體反復(fù)加熱3-5次，在密閉的情況下冷卻到33-35度膠體狀態(tài)保持不變時，即制得相變儲能材料；步驟2 熱墊的成型制備，具體流程如下步驟2. 1 用PEEK型耐熱性塑料薄膜將相變儲能材料封裝成小塊，并用封口器進(jìn)行塑料的封裝壓膜，最后在封裝袋的外表面附著一層錫紙，完成蓄熱層的制備；步驟2. 2 用高熱阻的硅膠螺旋發(fā)熱線纏繞滌綸布面形成加熱層；步驟2. 3 將絕熱層至于加熱層下面，并用線縫在一起；步驟2. 4 將蓄熱層放置在縫好的加熱層與絕熱層上面；步驟2.5 將海綿處理成和蓄熱層小塊大小一樣的凹槽型，然后將蓄熱層小塊固定在海綿的凹槽里；步驟2. 6 用海綿包裹在絕熱層周圍，固定整個熱墊主體部分；步驟2.7 海綿周圍緊緊包裹一層氫綸作為保護(hù)層，而后再包裹一層棉質(zhì)材料的面料層，并用線縫合，即得熱墊產(chǎn)品。本發(fā)明所采用的保護(hù)層為氫綸，面料層為棉質(zhì)材料。氫綸具有較小的導(dǎo)熱性能，能夠在一定程度上減少儲存熱量過快的散失。而棉質(zhì)能夠調(diào)節(jié)人體衣內(nèi)微氣候環(huán)境，滿足人體的舒適性要求。本發(fā)明具有以下有益效果相變蓄熱熱墊主要是依據(jù)蓄熱紡織品具有的溫度調(diào)節(jié)功能來加工設(shè)計(jì)的。蓄熱熱墊作為積極的調(diào)節(jié)人體及周圍微氣候的生活用品，不僅適應(yīng)21世紀(jì)人們追求生活的舒適性、方便快捷的需求，而且滿足了長期在外或處于較寒冷環(huán)境中的人們的保暖要求。該產(chǎn)品的發(fā)明突破了傳統(tǒng)電加熱墊等用品單純的以電取暖的觀念，從人體舒適性及安全性角度出發(fā)，使人體體溫盡量處于一種舒適的狀態(tài)，從而達(dá)到既能保暖又能改善人們休息或運(yùn)動的舒適條件和方便實(shí)用要求。本發(fā)明中的熱墊產(chǎn)品經(jīng)過反復(fù)蓄放熱后其性質(zhì)沒有發(fā)生變化，熱墊的穩(wěn)定性非常好。熱墊產(chǎn)品的蓄放熱時間基本在3小時和8小時左右。熱墊表面溫度最高基本在55°C左右，放熱最終溫度基本維持在26°C左右，在外界環(huán)境或是室內(nèi)待取暖的情況下，這種溫度非常適合人體要求，具有良好的蓄放熱性能。


圖1 熱墊主體結(jié)構(gòu)圖；圖2:熱墊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖；圖中，1-海綿層，2-蓄熱層，3-加熱層，4-絕熱層，5-保護(hù)層，6_面料層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明中的相變蓄熱材料層是硬脂酸與Na2HPO4 · 12H20的物理融合，融合的質(zhì)量比例是2 3，并同時加入質(zhì)量百分比為的聚丙烯酰胺。本發(fā)明相變蓄熱材料的潛熱及熔點(diǎn)的測試，可以采用差示掃描量熱計(jì)(DSC)，測定發(fā)現(xiàn)硬脂酸從50°C就開始有部分融化，相變潛熱大小為200J/kg左右。Na2HPO4 · UH2O熔點(diǎn)(相變溫度)為35°C，相變潛熱為246J/kg?？梢钥闯?，Na2HPO4 · 12H20的熔點(diǎn)和潛熱都非常適合人體自身對冷熱的感覺。而作為熱墊材料由于本身具有保溫隔熱的效果，所以，選擇具有較高熔點(diǎn)的硬脂酸來調(diào)和與Na2HPO4 · 12H20的比例，以此來調(diào)和相變溫度，借此平衡人與熱墊的接觸溫度，以達(dá)到既舒適又長期有效的作用。本發(fā)明中Na2HPO4 · 12H20的過冷度并不是很高，一般在10度左右，實(shí)驗(yàn)表明，硬脂酸作為Na2HPO4 · 12H20的成核劑是有效的。對于Na2HPO4 · 12H20的析出，主要是向其中加入聚丙烯酰氨作為增稠劑。通過向Na2HPO4 ·12Η20加入質(zhì)量百分比為的聚丙烯酰氨，能夠很好的防止Na2HPO4 · 12Η20結(jié)晶時的相分離問題。本發(fā)明中相變蓄熱材料的制備方法如下首先用天平稱取一定量的硬脂酸和 Na2HPO4 · 12Η20，按所設(shè)定的比例稱量后分放在不同的燒杯內(nèi)，并在燒杯上面加蓋一個玻璃蓋片。將燒杯放在磁力加熱攪拌器上加熱融化，當(dāng)硬脂酸和Na2HPO4 · 12Η20分別達(dá)到自身的熔點(diǎn)并完全融化時，將Na2HPO4 · 12Η20溶液連同玻璃蓋片上的水分采用玻璃棒引流的方式一同倒入盛有硬脂酸溶液的燒杯中，并向其中加入的聚丙烯酰胺。這時恒定磁力攪拌器的溫度不變，并以恒定的速率不停的攪拌兩種混合材料，直到最后材料混合均勻并出現(xiàn)膠狀為止，此時可以關(guān)掉磁力攪拌器，取出材料，整個材料的混合過程結(jié)束。對混合材料進(jìn)行紅外光譜分析可知=Na2HPO4 · 12Η20與硬脂酸本身并沒有發(fā)生反應(yīng)，是一種物理的融合，所以混合材料的潛熱值也應(yīng)該是兩者的中和。實(shí)際上，對混合材料進(jìn)行DSC測試，得到混合材料的相變潛熱值為238. 4J/g，與兩種材料分別測得的值按比例吻合的很好。再次說明了這種材料只是簡單的物理融合而不存在化學(xué)反應(yīng)，即各自的物理化學(xué)性質(zhì)均不發(fā)生變化。本發(fā)明中相變蓄熱墊的設(shè)計(jì)方法及步驟如前文所述，而熱墊蓄放熱性能的測試主要從溫度和時間兩個指標(biāo)來加以評價。測試表明，熱墊產(chǎn)品的蓄放熱時間基本在3小時和8 小時左右。熱墊表面溫度最高基本在55°C左右，放熱最終溫度基本維持在^TC左右，在外界環(huán)境或是室內(nèi)待取暖的情況下，這種溫度非常適合人體要求，具有良好的蓄放熱性能。
權(quán)利要求
1.一種相變儲能熱墊，由面料層，保護(hù)層和主體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其特征在于所述的主體結(jié)構(gòu)由海綿層(1)、蓄熱層O)、加熱層(3)、絕熱層四部分組成，主體結(jié)構(gòu)最里層為加熱層 (3)，加熱層C3)之外上層為蓄熱層O)，下層為絕熱層G)，絕熱層(4)和蓄熱層( 之外為海綿層(1)；主體結(jié)構(gòu)的外圍從內(nèi)到外依次為保護(hù)層(5)和面料層(6)，保護(hù)層(5)材料為氫綸，面料層(6)材料為棉質(zhì)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種相變儲能熱墊，其特征在于，在所述的蓄熱層( 中填充相變儲能材料，該相變儲能材料是硬脂酸與Na2HPO4 · 12H20的物理融合，融合的質(zhì)量比例是2 3，并同時加入質(zhì)量百分比為的聚丙烯酰胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種相變儲能熱墊，其特征在于所述的海綿層(1)的厚度為4-5cm，絕熱層(4)是開孔式海綿橡膠，厚度為2-3cm，加熱層( 是由高熱阻的硅膠螺旋發(fā)熱線纏繞滌綸布面而成的自制加熱膜，厚度在l-2cm之間。
4.權(quán)利要求1所述的相變儲能熱墊的制備方法，其特征在于，該方法按以下步驟進(jìn)行 步驟1，相變儲能材料的制備步驟1. 1 將硬脂酸置于三口燒瓶中，通過恒溫磁力加熱攪拌器，在75°C時加熱攪拌至硬脂酸全部溶解；步驟1. 2 將干燥的Na2HPO4 · 12H20研成粉末，以硬脂酸與Na2HPO4 · 12H20的質(zhì)量比為 3 2的比例緩慢均勻地加入熔融的硬脂酸中，同時加入質(zhì)量百分比為的聚丙烯酰胺； 步驟1. 3 持續(xù)攪拌10分鐘，得乳白色膠狀體；步驟1. 4 對膠體反復(fù)加熱3-5次，在密閉的情況下冷卻到33-35度膠體狀態(tài)保持不變時，即制得相變儲能材料；步驟2，相變儲能熱墊的制備步驟2. 1 用PEEK型耐熱性塑料薄膜將相變儲能材料封裝成小塊，并用封口器進(jìn)行塑料的封裝壓膜，最后在封裝袋的外表面附著一層錫紙，完成蓄熱層的制備； 步驟2. 2 用高熱阻的硅膠螺旋發(fā)熱線纏繞滌綸布面形成加熱層； 步驟2. 3 將絕熱層至于加熱層下面，并用線縫在一起； 步驟2. 4 將蓄熱層放置在縫好的加熱層與絕熱層上面；步驟2.5 將海綿處理成和蓄熱層小塊大小一樣的凹槽型，然后將蓄熱層小塊固定在海綿的凹槽里；步驟2. 6 用海綿包裹在絕熱層周圍，固定整個熱墊主體部分； 步驟2.7 海綿周圍緊緊包裹一層氫綸作為保護(hù)層，而后再包裹一層棉質(zhì)材料的面料層，并用線縫合，即得熱墊產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種相變儲能熱墊及其制備方法，屬于功能性復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。相變蓄熱材料作為一種新式的能源利用形式，本身具有過冷、析出和導(dǎo)熱系數(shù)低等缺點(diǎn)。本發(fā)明針對相變材料本身的缺點(diǎn)加以利用和改進(jìn)，并結(jié)合化學(xué)熱力學(xué)及生理衛(wèi)生學(xué)方面的知識，發(fā)明了一種相變儲能熱墊。該熱墊產(chǎn)品由面料層、保護(hù)層、海綿層、蓄熱層、加熱層、絕熱層構(gòu)成。蓄熱層材料的制備是本發(fā)明的關(guān)鍵所在。蓄熱層為硬脂酸與Na2HPO4·12H2O的物理融合，融合的質(zhì)量比例是2∶3，并同時加入質(zhì)量百分比為1％的聚丙烯酰胺，彌補(bǔ)了有機(jī)與無機(jī)兩種材料自身的缺點(diǎn)。該熱墊產(chǎn)品的穩(wěn)定性非常好，具有良好的蓄放熱性能。既能保暖又能改善人們休息或運(yùn)動的舒適條件和方便實(shí)用要求。
文檔編號C09K5/06GK102173114SQ20101059703
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者唐志偉, 師明星, 張宏宇, 陳志峰 申請人:北京工業(yè)大學(xué)