用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料及其制備方法
【專利說明】用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料及其制備方法
[0001] 本發(fā)明設(shè)及用于熱能儲(chǔ)存裝置（或蓄熱器）的復(fù)合材料W及制備運(yùn)種用于熱能儲(chǔ) 存裝置的復(fù)合材料的方法。
[0002] 構(gòu)成所謂潛熱儲(chǔ)存器的熱能儲(chǔ)存裝置利用了相變材料的特性，相變材料的烙化潛 熱（latenteSchmelzw站me)、溶解熱或吸收熱（Absorptionsw壯me)顯著大于其在 沒有相變效應(yīng)情況下基于其正常的比熱容量而能夠儲(chǔ)存的熱量。應(yīng)用的實(shí)例為例如熱包 (WSnnekissen:)、冷卻包腳hlakkus)或太陽(yáng)能加熱裝置的水槽中填充有石蠟的儲(chǔ)存器 元件。
[000引在基于相變材料的熱能儲(chǔ)存裝置的放熱期間，會(huì)出現(xiàn)其術(shù)語(yǔ)已知為"Subcooling" 的不希望的過冷現(xiàn)象，從而相變材料的結(jié)晶W及由此而來(lái)的散熱（W如擁塔流6)只有 在顯著低于該相變材料的烙點(diǎn)時(shí)才開始。因此，散熱發(fā)生在相對(duì)低的溫度水平，其可能不利 于能量?jī)?chǔ)存裝置中的應(yīng)用。
[0004] 舉例來(lái)說，對(duì)于于此處為焦點(diǎn)的盡管由固態(tài)向液態(tài)的相變?nèi)匀痪哂行螤罘€(wěn)定的性 能的相變材料也存在運(yùn)樣的問題，例如超高分子量的聚乙締，其因其分子鏈長(zhǎng)而具有的粘 度在由固態(tài)向液態(tài)相變后也帶來(lái)一定的形狀穩(wěn)定性（Forms化b川化t)。 陽(yáng)〇化]因此，本發(fā)明的目的在于提供用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料W及制備運(yùn)種復(fù)合材 料的方法，借助于運(yùn)種材料可減少過冷現(xiàn)象。
[0006] 所述目的通過具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的復(fù)合材料W及用于制備所述復(fù)合材料 的方法得W實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明有利的具有有益且非凡的擴(kuò)展設(shè)計(jì)的實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中 給出。
[0007] 本發(fā)明的用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料包括熱塑性的相變材料，該相變材料中W預(yù)定的空間分布嵌入晶核。所述復(fù)合材料除所述熱塑性的相變材料之外還具有晶核，由此 可顯著減少所述不期望的過冷現(xiàn)象，因?yàn)榛诰Ш?，所述相變材料的凝固在低于該相變?料的烙點(diǎn)后基本上立即進(jìn)行。伴隨相變材料的凝固或結(jié)晶，由此還在低于所述相變材料的 烙點(diǎn)的情況下基本上立即開始與熱能儲(chǔ)存裝置中的使用相關(guān)的散熱。從而，散熱可發(fā)生在 相對(duì)高的溫度水平，而運(yùn)對(duì)于所述復(fù)合材料在熱能儲(chǔ)存裝置的應(yīng)用來(lái)說是有利的。
[0008] 在本發(fā)明的有利的實(shí)施方式中，所提供的相變材料是超高分子量的聚乙締。其 優(yōu)勢(shì)在于，由于所述相變材料分子的鏈長(zhǎng)，在由固態(tài)向液態(tài)相變期間該相變材料并且由此 所述復(fù)合材料作為整體而具有使該復(fù)合材料仍具有一定的形狀穩(wěn)定性的粘度。優(yōu)選所 述相變材料在高于其烙點(diǎn)的情況下具有至少千帕斯卡秒，優(yōu)選兆帕斯卡秒的零剪切粘度 (Nullviskositai) 〇
[0009] 在本發(fā)明的另一項(xiàng)有利的實(shí)施方式中所提供的是，晶核具有比相變材料高的軟化 溫度，特別是比相變材料高至少5(TC的軟化溫度。由此可確保晶核不會(huì)對(duì)所述復(fù)合材料的 熱循環(huán)產(chǎn)生影響，因?yàn)橛捎谏叩睦狱c(diǎn)所述晶核在復(fù)合材料的常規(guī)的溫度應(yīng)用范圍內(nèi)不僅 是幾何形狀穩(wěn)定的還是機(jī)械穩(wěn)定的，并且此外還優(yōu)選不與所述相變材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。運(yùn) 種情況下，所述相變材料的烙點(diǎn)為優(yōu)選約130°C，然而該烙點(diǎn)還可W根據(jù)相變材料的組成在 約100~170°C的范圍內(nèi)移動(dòng)。
[0010] 本發(fā)明的又一項(xiàng)有利的實(shí)施方式提供的是，晶核具有比相變材料更高的熱導(dǎo)率。 由此可實(shí)現(xiàn)作為整體的復(fù)合材料的有效熱導(dǎo)率的提高，而運(yùn)在熱能儲(chǔ)存裝置中使用時(shí)對(duì)能 量攝入和能量輸出起了積極的作用。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明另一項(xiàng)有利的實(shí)施方式所提供的是，晶核是由碳所形成的纖維材料 (例如碳纖維、碳納米管等），例如由滑石、石墨或?qū)訝钔匏猁}所形成的片材，和/或既W微 米尺寸又W納米尺寸的例如由氮化棚、二氧化娃或炭黑所形成的球狀材料。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明又一項(xiàng)有利的實(shí)施方式，借助于晶核在所述復(fù)合材料中形成了至少一 個(gè)預(yù)定的熱傳導(dǎo)路徑（Wjimieleitpfad)，該復(fù)合材料至少在一個(gè)方向上具有比剩余的復(fù) 合材料更高的熱導(dǎo)率。也就是說，可形成復(fù)合材料的各向異性的熱導(dǎo)率，從而例如可W在一 個(gè)優(yōu)選的方向上進(jìn)行特別有效的吸熱和散熱，由此于熱能儲(chǔ)存裝置中使用期間能夠?qū)Ω鱾€(gè) 存在的邊界條件進(jìn)行復(fù)合材料的相應(yīng)的調(diào)整。可替代的是，還能夠?qū)⒕Ш巳绱瞬贾迷趶?fù)合 材料內(nèi)，使得所述復(fù)合材料具有至少基本上各向同性的熱導(dǎo)率。在運(yùn)種情況下，所述晶核優(yōu) 選基本上均勻地分布在復(fù)合材料中。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明另一項(xiàng)有利的實(shí)施方式，晶核的數(shù)量從復(fù)合材料的外部邊緣區(qū)域向該 復(fù)合材料的內(nèi)部區(qū)域減少。由此，所述外部邊緣區(qū)域（于熱能儲(chǔ)存裝置中使用期間，通常通 過該外部邊緣區(qū)域來(lái)進(jìn)行復(fù)合材料的熱輸入和熱輸出）可特別有效地吸熱和散熱。通過所 述由復(fù)合材料的邊緣區(qū)域向其內(nèi)部區(qū)域降低的晶核濃度，可W在超過或低于相變材料的烙 點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的特別快的響應(yīng)特性。
[0014] 在本發(fā)明的用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料的制備方法中，將熱塑性相變材料與晶 核混合成混合物，隨后由該混合物形成復(fù)合材料。此處，本發(fā)明的復(fù)合材料的有利的實(shí)施方 式應(yīng)被看作所述方法的有利的實(shí)施方式。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明方法的一項(xiàng)有利的實(shí)施方式，將晶核和熱塑性相變材料W粉末狀態(tài)彼 此混合。由此可獲得晶核和相變材料的特別好且簡(jiǎn)單的充分混合。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明方法的另一項(xiàng)有利的實(shí)施方式，在將相變材料與晶核混合之前先將該 相變材料與溶劑，特別是與有機(jī)溶劑混合，并且在混合該相變材料和晶核之后從混合物中 去除所述溶劑。在所述方法中強(qiáng)調(diào)填料顆粒、亦即晶核和相變材料的特別均勻的分布W及 通過誘鑄工藝成型的可能性。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明方法的又一項(xiàng)有利的實(shí)施方式，將所述混合物擠出或壓制（特別是熱 壓）成復(fù)合材料。首先，根據(jù)所應(yīng)用的相變材料的粘度來(lái)提供一種或其它方法。只要在高 出其烙點(diǎn)的情況下所使用的相變材料的粘度不應(yīng)過高，特別是在1000至10000帕斯卡秒的 范圍，就可通過擠出來(lái)制備具有所需品質(zhì)的復(fù)合材料。對(duì)于粘度超過10000帕斯卡秒的相 變材料，特別提供熱壓工藝來(lái)制備復(fù)合材料，因?yàn)橥ㄟ^擠出來(lái)推動(dòng)所述混合物是難W實(shí)現(xiàn) 或完全不能實(shí)現(xiàn)的。
[001引優(yōu)選地，如果壓制、特別是熱壓所述混合物，那么就將混合物在壓制過程中抽真 空，W便必要時(shí)降低或調(diào)節(jié)成型件孔隙率。
[0019] 由下文優(yōu)選的實(shí)施例的說明并依據(jù)附圖給出了本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)、特征和細(xì) 節(jié)。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，在上文的描述中所提及的特征和特征組合W及在下文 的附圖描述中所提及的和/或附圖單獨(dú)所示的特征和特征組合不僅可在各個(gè)指定的組合 中使用而且還可單獨(dú)使用。
[0020] 下面參照示意性的附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例加W詳述。
[0021] 圖1示出了用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料的示意圖，該復(fù)合材料由熱塑性相變材 料制成，其中嵌入了大量的晶核；W及
[0022] 圖2示出了用于制備所述復(fù)合材料的擠出工藝的示意圖。
[0023] 用于熱能儲(chǔ)存裝置（此處未示出）的、整體被標(biāo)記為10的復(fù)合材料在圖1的示 意圖中被示出。該復(fù)合材料包括熱塑性的相變材料12,在該相變材料中嵌入了大量的晶核 14,其中僅一部分晶核14具有標(biāo)記。
[0024] 相變材料12是超高分子量的聚乙締，其具有高達(dá)6000kg/Mol的平均摩爾質(zhì)量并 具有0. 89至0. 98g/cm3的密度。相變材料12在超過其烙點(diǎn)的情況下具有至少千帕斯卡 秒、優(yōu)選兆帕斯卡秒的零剪切粘度。所述熱塑性相變材料的烙點(diǎn)為約130°C，其中視相變材 料12的組成而定，其烙點(diǎn)還可在約100至170°C的范圍內(nèi)。
[00巧]晶核