專利名稱：一種十水硫酸鈉相變蓄能材料組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相變蓄能材料組合物，具有30 32°C的相變溫度，過冷度小于 3°C，該相變蓄能材料的相變潛熱值可以達(dá)到200kJ/kg以上，具有較高的儲(chǔ)熱密度，因而表現(xiàn)出優(yōu)良的溫度調(diào)節(jié)功能。通過配方優(yōu)化，使得該組合物具有極高的相變穩(wěn)定性，冷熱循環(huán)試驗(yàn)超過3000次。按照本發(fā)明所得到的相變蓄能材料組合物，可以用于太陽(yáng)能蓄熱、余熱回收、室內(nèi)調(diào)溫等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在能量轉(zhuǎn)換和利用的過程中，常常存在供求之間在時(shí)間和空間上不能有效匹配的矛盾，如電力負(fù)荷因用電造成的峰谷差，太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能供應(yīng)的間歇性等。相變蓄能材料本身不產(chǎn)生能量，但作為能量的優(yōu)良載體，通過特定條件下的能量釋放和轉(zhuǎn)存，從而有效緩解能量供求上的矛盾。相變材料的蓄能作用機(jī)理是在物質(zhì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)，伴隨著能量的吸收或釋放，因此可在一定溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)周圍環(huán)境溫度，起到溫度“緩沖器”的作用。相變蓄能材料按照主要相變物質(zhì)的組成，相變蓄能材料可分為有機(jī)相變材料和無機(jī)相變材料兩大類。通常情況下，大多數(shù)相變物質(zhì)都會(huì)存在過冷度，即溫度達(dá)到相變溫度時(shí)不發(fā)生結(jié)晶，實(shí)際結(jié)晶溫度與相變溫度存在差值，過冷度是衡量相變材料質(zhì)量的重要指標(biāo)。十水硫酸鈉是一種比較理想的中低溫?zé)o機(jī)水合鹽相變材料，同有機(jī)相變材料相比，它具有較好的導(dǎo)熱性和儲(chǔ)熱密度，其相變溫度為31 32°C，相變潛熱值可達(dá)到250kJ/ kg，但是其缺點(diǎn)也較為明顯一是其較高的過冷度(通常大于10°C )，使其相變潛熱無法在正常相變條件下發(fā)揮溫度調(diào)控作用；二是其分層問題，由于硫酸鈉的溶解度較小(30°C時(shí)硫酸鈉在水中的溶解度為40. Sg)，因此十水硫酸鈉在高溫(大于32°C )發(fā)生相變時(shí)，約有1/3左右的硫酸鈉不能溶于其結(jié)晶水中，此時(shí)的液相為硫酸鈉的飽和溶液，不溶的硫酸鈉就會(huì)沉降到溶液的底部，再次發(fā)生液-固相變時(shí)，由于相變體系的不均勻性，相變首先在固-液界面上發(fā)生，其結(jié)果導(dǎo)致上層水溶液與底層硫酸鈉固體不能有效結(jié)合，造成實(shí)際相變潛熱減小，相變過程不可逆。從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的角度來看，過冷度是相變材料發(fā)生固液相變過程的必要條件，但從實(shí)際應(yīng)用的角度，如果過冷度過大就失去了應(yīng)用價(jià)值。保持適度的過冷度是本發(fā)明解決的問題之一，目前減小過冷度的方法主要有(1)冷指法；( 添加成核劑；其中第一種方法是通過預(yù)留一部分固態(tài)結(jié)晶水合物作為相變凝結(jié)核，在需要發(fā)生相變時(shí)加入，用以引發(fā)相變過程，從而釋放潛熱。這種方法能有效的解決過冷問題，但其缺點(diǎn)是使用不方便，相變過程不能自發(fā)進(jìn)行，每次都需要人工操作。第二種方法是通過添加成核劑來降低過冷度，成核劑的篩選是一個(gè)復(fù)雜的過程， 主要方法有“科學(xué)法”和“愛迪生法”?！翱茖W(xué)法”是從大量的晶體數(shù)據(jù)表中挑選同構(gòu)或同型的材料作為待定的成核劑，然后通過試驗(yàn)篩選合適的添加量測(cè)試其成核效果?！皭鄣仙ā敝饕恐庇X，通過對(duì)大量的材料進(jìn)行測(cè)試來尋找成核劑，許多有效的成核劑在結(jié)構(gòu)上與相變材料并沒有明顯的相符之處，具有成核效能的原因還找不到合乎邏輯的解釋。試驗(yàn)結(jié)果表明，有時(shí)候單一的成核劑也無法勝任持續(xù)相變的功能，成核劑復(fù)配可以使其能夠在反復(fù)相變過程中保持成核活性。由于十水硫酸鈉化學(xué)穩(wěn)定性好，無毒、原材料易得，相變溫度適中，而且相變潛熱很大，因此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，如Maria Telkes于1951年在美國(guó)專利US^577664中首先提到了以Na4B2O7. IOH2O作為成核劑，并于1976年在美國(guó)專利 US3986969中提出以坡縷石土作為相變體系穩(wěn)定劑，Lucien Babin等人于1981年在美國(guó)專利US^87076中以Na4B2O7. IOH2O和乳化油為添加劑構(gòu)成相變材料，黃金等人在2008年發(fā)表的綜述文章《無機(jī)水合鹽相變材料Na2SO4 · IOH2O的研究進(jìn)展》中較為系統(tǒng)的闡述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于十水硫酸鈉的相變學(xué)研究成果。上述各發(fā)明和文獻(xiàn)中所研究的十水硫酸鈉其成核劑均基于Na4B2O7. IOH2O,所用的稠化劑并沒有徹底解決分層問題，反復(fù)相變后依然存在分層現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其相變潛熱值衰減，衰減幅度從20 50 %不等。本發(fā)明公布了一種十水硫酸鈉相變蓄能材料組合物，其相變溫度為30 32°C，不同于現(xiàn)有的研究成果，在成核劑方面通過復(fù)配技術(shù)，強(qiáng)化了成核效能，使其在反復(fù)相變后仍能保持極佳的成核能力，使其過冷度小于3°C，同時(shí)，采用膨潤(rùn)土和纖維素的復(fù)配，很好的解決了相變分層問題，輔以其他功能添加劑，使該相變材料組合物具有較為穩(wěn)定的相變性能， 通過3000次冷熱循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試，相變潛熱基本沒有衰減，延長(zhǎng)了相變材料的使用壽命，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種性能可靠的相變蓄能材料，相變溫度為30 32°C， 相變潛熱值大于200kJ/kg?？捎糜跍囟日{(diào)節(jié)(包括居室、日光溫室等需要溫度變化較小的場(chǎng)合)、余熱回收、太陽(yáng)能利用等方面，有效緩解在能量轉(zhuǎn)換和利用的過程中存在的供求之間在時(shí)間和空間上不能有效匹配的矛盾。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種相變蓄能材料的組合物，主要成分包括Na2SO4 · 10H20、成核劑、增稠劑及其他功能添加劑。其中成核劑的主要作用是降低Na2SO4和水反應(yīng)生成Na2SO4 · IOH2O所需要的活化能，減小相變體系的過冷度。在本發(fā)明中，成核劑主要是Na4B2O7. IOH2O和BaS04、CaS04中的至少一種組合，優(yōu)選Na4B2O7. IOH2O和CaSO4,加劑量占Na2SO4 · IOH2O的質(zhì)量百分比為3 10%,優(yōu)選 4 8%。Na4B2O7. IOH2O 與 BaSO4 或 CaSO4 或 BaSO4 和 CaSO4 的質(zhì)量比為 1 2 4 1，優(yōu)選 1 1 2 1。增稠劑是為了增大相變體系的黏稠度，避免不溶的Na2SO4顆粒因密度較大沉降到容器底部，反復(fù)相變后導(dǎo)致相變潛熱衰減。本發(fā)明中增稠劑主要由鈣基膨潤(rùn)土、鋰基膨潤(rùn)土中的一種與羧甲基纖維素(CMC)、羧乙基纖維素(HEC)、聚陰離子纖維素(PAC)中的至少一種組成，優(yōu)選鋰基膨潤(rùn)土和羧乙基纖維素，膨潤(rùn)土與纖維素的質(zhì)量比為5 1 20 1，其中鋰基膨潤(rùn)土要求220目過篩率大于99%。稠化劑的加量占Na2SO4* IOH2O的質(zhì)量百分比為2 10%，優(yōu)選5 8%。
其他功能添加劑主要作用有抑制相變過程的副反應(yīng)，增強(qiáng)相變過程的可重復(fù)性，確保相變穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用周期，這些添加劑主要有NaBr、(NaPO3)6,優(yōu)選加劑量占 Na2SO4 · IOH2O的質(zhì)量百分比如下NaBr0.6 2%(NaPO3) 6 0. 03 0. 05 %對(duì)本發(fā)明所提供的相變蓄能材料組合物按照T-history試驗(yàn)方法(相變材料通用試驗(yàn)方法，即溫度隨時(shí)間變化的曲線)進(jìn)行了相變溫度、過冷度以及相變潛熱值進(jìn)行了測(cè)定。同耐，針對(duì)相變穩(wěn)定性進(jìn)行了冷熱循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試(試驗(yàn)條件高溫45°C，低溫20°C )， 通過試驗(yàn)后樣品的潛熱值衰減情況來判定體系的相變穩(wěn)定性。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過以下具體實(shí)施例更詳細(xì)的描述本發(fā)明，可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的了解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實(shí)施例1首先取無水Na2SO4和水按摩爾比1 10在40°C溫度條件下配成Na2SO4飽和溶液及固體Na2SO4混合物。在保持40°C、攪拌條件下分別將成核劑組合物溶解于IOOg上述混合物中，攪拌時(shí)間為1小時(shí)。按照T-History試驗(yàn)方法測(cè)試其過冷度，冷卻環(huán)境為25°C恒溫水浴。分析結(jié)果見表1 :表1成核劑組成和加劑量對(duì)相變材料過冷度的影響
權(quán)利要求
1.本發(fā)明所述相變蓄能材料組合物，其特征在于含有Na2SO4· 10H20、成核劑、增稠劑及其他功能添加劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，特征在于其成核劑是由Na4B2O7.IOH2O和BaS04、CaS04 中的至少一種混合構(gòu)成的組合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成核劑組合物，其特征在于其質(zhì)量為Na2SO4· IOH2O質(zhì)量的 3-10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2 3所述的成核劑組合物，其特征在于Na4B2O7.IOH2O與BaSO4或 CaSO4或BaSO4和CaSO4的質(zhì)量比為1 3 4 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，增稠劑為鈣基膨潤(rùn)土、鋰基膨潤(rùn)土中的一種與羧甲基纖維素(CMC)、羧乙基纖維素(HEC)、聚陰離子纖維素(PAC)中的至少一種組成的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的增稠劑，其特征在于其質(zhì)量為Na2SO4· IOH2O質(zhì)量的2 10%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5 6所述的增稠劑，其特征在于膨潤(rùn)土與纖維素的質(zhì)量比為5 1 20 1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，功能添加劑主要有NaBr、(NaP03)6。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功能添加劑，其特征在于各組分加劑量占Na2SO4-IOH2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為NaBr0. 5 5%(NaPO3)60.01 0.1%
全文摘要
本發(fā)明公布了一種十水硫酸鈉相變蓄能材料組合物，該組合物主要由十水硫酸鈉、成核劑、增稠劑等組成，其相變溫度為30～32℃，過冷度小于3℃，相變潛熱大于200kJ/kg。該組合物具有較好的相變穩(wěn)定性，通過了冷熱循環(huán)3000次試驗(yàn)，并且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能夠保持相變體系的均勻性。
文檔編號(hào)C09K5/06GK102212341SQ201110088799
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月11日
發(fā)明者萬(wàn)福新, 劉佳, 李剛, 杜守琴, 王金波, 袁雪飛 申請(qǐng)人:北京京潤(rùn)寶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司