專利名稱：有機(jī)－無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制備方法，屬儲(chǔ)能高分子材料的制備技術(shù)。
目前國(guó)內(nèi)外用于儲(chǔ)能技術(shù)的相變材料主要包括如下幾方面(1)直接采用現(xiàn)有的有機(jī)或無(wú)機(jī)相變材料，有機(jī)相變材料如石蠟類、脂肪酸等。無(wú)機(jī)相變材料如水合無(wú)機(jī)鹽等；(2)將相變材料包裹在膠囊狀結(jié)構(gòu)內(nèi)或形成微膠囊的結(jié)構(gòu)，膠囊的材料大多是采用高密度的聚乙烯等有機(jī)高分子聚合物；(3)采用聚合的方法形成高分子聚合物的復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，如若洋(Royon)等人采用聚合手段，使可溶于水的丙烯酰胺單體形成能包絡(luò)水分子的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而開(kāi)發(fā)出了用于低溫儲(chǔ)熱的聚合物復(fù)合相變材料。這種儲(chǔ)熱材料的特點(diǎn)是水分子被包絡(luò)在聚丙烯酰胺鏈所形成的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)并與聚丙烯酰胺形成一體，聚丙烯酰胺鏈所形成的網(wǎng)絡(luò)取代了前面所提到的膠囊體，除包絡(luò)水分子外，還有包絡(luò)石蠟的聚合物復(fù)合相變材料。若直接應(yīng)用相變儲(chǔ)能材料，就必須將儲(chǔ)熱器與換熱器結(jié)合起來(lái)，利用換熱器將相變材料與傳熱流體分開(kāi)，并通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)傳熱流體與相變材料間的熱交換，儲(chǔ)熱系統(tǒng)采用換熱器的結(jié)構(gòu)形式，既增加了傳熱流體與相變材料的傳熱阻力，又必須考慮相變材料與換熱器的相容性，以防止腐蝕的影響。同時(shí)還造成了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的體積增大、成本增加和產(chǎn)生泄漏問(wèn)題；膠囊狀相變儲(chǔ)能材料在應(yīng)用時(shí)，傳熱流體是在相變材料的堆積床內(nèi)流動(dòng)并與相變材料進(jìn)行熱交換，由于膠囊大多采用有機(jī)高分子材料，一方面，其低的導(dǎo)熱系數(shù)也影響了傳熱流體與相變材料間的傳熱；另一方面，膠囊內(nèi)相變材料因固液相變時(shí)會(huì)發(fā)生體積變化而導(dǎo)致膠囊體的收縮和膨脹，這種收縮和膨脹所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致膠囊體、尤其是在密封處的破裂；此外，在實(shí)際運(yùn)行中，膠囊體顆粒與顆粒間存在磨擦應(yīng)力，也可能破壞膠囊體；采用聚合方法形成高分子聚合物的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，有機(jī)高分子聚合物材料導(dǎo)熱系數(shù)低、受應(yīng)力而破壞等的缺點(diǎn)依然存在，而且該方法制備的相變材料成本較高。
本發(fā)明的目的就是為了克服和解決現(xiàn)有的儲(chǔ)能材料在實(shí)際應(yīng)用中存在需附加金屬換熱器、傳熱阻力大，并要考慮相變材料與換熱器的相容性、防止腐蝕，儲(chǔ)熱系統(tǒng)體積增大、成本高或?qū)嵯禂?shù)小、材料膠囊體易受應(yīng)力而破裂等的缺點(diǎn)和問(wèn)題，研究發(fā)明一種能制備出傳熱性能好、導(dǎo)熱系數(shù)大、不需附加換熱器、成本低的高性能相變儲(chǔ)能材料的有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制備方法。
本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制備方法為第一步季銨鹽的溶解其原料組成及重量百分比為季銨鹽 10～20％濃鹽酸 10～20％水 60～80％具體操作是先將季銨鹽、濃鹽酸加入到水中，再加熱使季銨鹽完全溶解；第二步層狀硅酸鹽的改性其原料組成及重量百分比為層狀硅酸鹽10～15％溶解的季銨鹽 15～20％水65～75％具體操作是先將層狀硅酸鹽與第一步制得的溶解的季銨鹽混合，同時(shí)加水，并邊加熱邊高速攪拌，加熱至80～90℃，反應(yīng)10～14小時(shí)，抽濾，并用75～85℃的水洗滌3次，再自然風(fēng)干，然后在45～55℃下真空干燥至恒重，即可得到層狀季銨鹽改性的硅酸鹽復(fù)合物第三步相變材料的溶解其原料組成及重量百分比為有機(jī)相變材料 20～30％碳酸氫納(NaHCO3) 10～15％水55～70％具體操作是將有機(jī)相變材料、NaHCO3和水混合加熱，使固相物質(zhì)完全溶解；第四步有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制得其原料組成及重量百分比為溶解的有機(jī)相變材料 10～20％
改性的層狀硅酸鹽15～30％水 50～75％具體操作是將第三步制得的溶解的有機(jī)相變材料與第二步制得的改性層狀硅酸鹽混合，并加水，在80～90℃溫度下高速攪拌，反應(yīng)14～18小時(shí)，抽濾；用70～90℃的熱水洗滌至不含季銨鹽為止；在45～55℃下真空干燥至恒重，即得所需的有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。
本發(fā)明的機(jī)理如下本發(fā)明提出了制備有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的新技術(shù)，即利用層狀硅酸鹽所具有較大的長(zhǎng)徑比，巨大的相表面積，以及層間具有可交換的陽(yáng)離子等特殊結(jié)構(gòu)，通過(guò)選擇不同相變溫度的有機(jī)相變儲(chǔ)能材料與層狀硅酸鹽的陽(yáng)離子進(jìn)行交換而被嵌入到硅酸鹽的納米層間，從而形成有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。由于在同等濃度下，層狀硅酸鹽的層間表面對(duì)一些陽(yáng)離子吸附的強(qiáng)弱次序?yàn)镠+＞NH4+＞K+＞Na+，根據(jù)這一規(guī)律，首先需對(duì)所選擇的層狀硅酸鹽進(jìn)行純化處理，使得硅酸鹽的層間陽(yáng)離子全部轉(zhuǎn)化為K+或Na+，然后根據(jù)需要，選擇所定相變溫度的有機(jī)材料分子與層狀硅酸鹽的層間陽(yáng)離子通過(guò)交換作用而保留在層間中；由于層間的有機(jī)相變材料分子與硅酸鹽層間表面的羥基等基團(tuán)存在相互作用力以及硅酸鹽的夾層對(duì)有機(jī)分子具有束縛作用，因此，硅酸鹽層間的有機(jī)分子很難被解嵌出來(lái)。有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料儲(chǔ)熱性能取決于第四步有機(jī)相變材料與改性層狀硅酸鹽的組成配比，隨著有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料中有機(jī)相變材料質(zhì)量含量的增加，有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能密度也逐漸增大。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果①由于有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料存在納米尺寸效應(yīng)、大的比表面效應(yīng)以及強(qiáng)的界面相互作用，能將有機(jī)相變材料和無(wú)機(jī)硅酸鹽的結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)特性充分地結(jié)合起來(lái)，并具有有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的一些共性，如良好的熱性能、力學(xué)性能和阻隔性能等，使得用本發(fā)明制備出的有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料具有良好的導(dǎo)熱性能、易于成型(可加工成粒狀、塊狀和蜂窩狀等)、抗機(jī)械應(yīng)力好，能實(shí)現(xiàn)空氣、水等傳熱流體與相變材料間的直接接觸換熱；②用本發(fā)明方法制備的復(fù)合相變儲(chǔ)能材料成本低、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，且可選擇的有機(jī)相變材料種類較多，因而相變溫度范圍廣、適用性強(qiáng)，從根本上克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)相變材料存在的缺點(diǎn)和問(wèn)題。
本發(fā)明的實(shí)施只要按上面說(shuō)明書(shū)所述的制備方法步驟逐步進(jìn)行，便能較好地實(shí)施本發(fā)明。發(fā)明人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和實(shí)驗(yàn)，有很多成功的實(shí)施例。下面僅列舉幾個(gè)實(shí)施例列表表示于下表1。從表1可見(jiàn)用本發(fā)明制備所得的有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.5～0.8w/m·k，比現(xiàn)有傳統(tǒng)的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)25％大。表權(quán)利要求
1.一種有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制備方法，其特征在于第一步季銨鹽的溶解其原料組成及重量百分比為季銨鹽 10～20％濃鹽酸 10～20％水 60～80％具體操作是先將季銨鹽、濃鹽酸加入到水中，再加熱使季銨鹽完全溶解；第二步層狀硅酸鹽的改性其原料組成及重量百分比為層狀硅酸鹽10～15％溶解的季銨鹽 15～20％水65～75％具體操作是先將層狀硅酸鹽與第一步制得的溶解的季銨鹽混合，同時(shí)加水，并邊加熱邊高速攪拌，加熱至80～90℃，反應(yīng)10～14小時(shí)，抽濾，并用75～85℃的水洗滌3次，再自然風(fēng)干，然后在45～55℃下真空干燥至恒重，即可得到層狀季銨鹽改性的硅酸鹽復(fù)合物第三步相變材料的溶解其原料組成及重量百分比為有機(jī)相變材料20～30％碳酸氫納NaHCO310～15％水 55～70％具體操作是將有機(jī)相變材料、NaHCO3和水混合加熱，使固相物質(zhì)完全溶解；第四步有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制得其原料組成及重量百分比為溶解的有機(jī)相變材料 10～20％改性的層狀硅酸鹽15～30％水 50～75％具體操作是將第三步制得的溶解的有機(jī)相變材料與第二步制得的改性層狀硅酸鹽混合，并加水，在80～90℃溫度下高速攪拌，反應(yīng)14～18小時(shí)，抽濾；用70～90℃的熱水洗滌至不含季銨鹽為止；在45～55℃下真空干燥至恒重，即得所需的有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。
全文摘要
本發(fā)明是有機(jī)一無(wú)機(jī)納米復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制備方法,其第一步:把季銨鹽、濃鹽酸、水混合加熱溶解;第二步:層狀硅酸鹽的改性,把層狀硅酸鹽、溶解的季銨鹽、水混合并加熱攪拌反應(yīng)10～14小時(shí)抽濾,并用熱水洗滌后風(fēng)干并真空干燥;第三步:把有機(jī)相變材料、NaHCO
文檔編號(hào)C09K5/00GK1241607SQ99117018
公開(kāi)日2000年1月19日 申請(qǐng)日期1999年8月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月2日
發(fā)明者張正國(guó), 陳中華, 方曉明, 王世平, 余曉福 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)