專利名稱：定形相變貯能材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于熱能貯存技術領域，特別是涉及相變貯能材料及其制備方法。
背景技術：
相對于顯熱貯熱材料，相變貯熱材料有其獨到的優(yōu)勢貯熱密度大，可用較小的體積獲得很大的貯熱容量；相變吸熱和釋熱過程基本上在恒溫下進行，易于控制。因此，研究者們嘗試將相變材料應用于溫控、余熱利用、太陽能熱利用及建筑節(jié)能等領域。由于相變材料恒溫相變的特性，所以對于特定的場合需要選擇合適的相變材料，這也是相變貯熱材料種類繁多的原因。
現(xiàn)有中常溫相變材料主要有1、結晶水合鹽美國學院出版社(Academic Press)于1980年出版的《太陽能材料科學》(SolarMaterials Science)一書的第377-404頁對這類相變貯熱材料作了比較全面的綜述，指出結晶水合鹽是中常溫相變貯能中最常用的一大類相變材料，其特點是使用范圍廣、價格便宜、導熱系數(shù)與相變潛熱較大、密度大、單位體積貯熱量大。但這類相變材料在使用過程中通常存在兩個問題過冷和析出。所謂過冷是指液態(tài)相變材料冷卻到“凝固點”時并不結晶，而需冷卻到“凝固點”以下一定溫度時才開始結晶的現(xiàn)象。一般相變材料的結晶前或多或少都有過冷存在，但以結晶水合鹽最為嚴重，若不消除，會影響相變貯能系統(tǒng)的性能。所謂析出是指經加熱-冷卻循環(huán)后鹽與水的分離現(xiàn)象，這使得相變材料的潛熱迅速衰退。析晶和過冷現(xiàn)象長期以來一直是水合鹽類相變貯熱技術需要解決的最主要的難題。
2、有機類相變材料主要包括石蠟、酯酸及多元醇。這類相變材料無析出現(xiàn)象，雖有弱過冷但不影響使用，且性能穩(wěn)定，無腐蝕性，所以與建筑材料相結合時多采用這類相變材料。但由美國《太陽能材料及太陽能電池》(Solar Energy Materials & Solar Cells)1992年27卷第91-101頁“混凝土料對相變材料的吸收”(Absorption of phase changematerials in concrete)一文可看出，這類與建筑結合的相變材料的缺點是導熱系數(shù)較小，密度小，單位體積貯熱能力不大。
以上相變材料因固液轉變或升華(多元醇)等原因，在使用過程中必須借助密封容器，這不僅會增加傳熱熱阻，而且使得相變貯熱單元的成本大大提高，如美國《太陽能材料》(Solar Energy Materials)1986年27卷第1-10頁的“用于熱能貯存的有機類相變材料”(Organic phase change materials for thermal energy storage)一文指出CaCl2·6H2O材料本身的價格為每噸90美元，但制成貯熱單元后每噸的零售價在3000美元以上；價格的差異主要來自容器的成本。容器的使用不僅增加了應用成本，而且在傳熱介質與貯熱介質之間造成接觸熱阻，影響傳熱、貯熱效果。
技術內容本發(fā)明提出一種不需要容器、可與傳熱介質直接接觸的定形相變貯能材料，以降低相變貯能材料的應用成本，實現(xiàn)相變材料的規(guī)?；瘧?。
這種定形相變貯能材料，特征在于其為由質量百分比85％到70％石蠟散布在質量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)形成的三維空間網絡結構中構成的共混成型物。
本發(fā)明定形相變貯能材料的制備方法，特征在于將質量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)和85％到70％石蠟混合，加熱到高于HDPE的熔點溫度，然后使混合物降溫至凝固。
本發(fā)明定形相變貯能材料的定形機理如下當高密度聚乙烯(HDPE)和石蠟這兩種材料被加熱到高于HDPE的熔點溫度，混合并攪拌，然后降溫，在冷卻過程中HDPE首先凝固，形成一空間三維網絡，而液態(tài)石蠟則被包容其間。由于HDPE具有較高的結晶度，這種復合材料在石蠟為發(fā)生相變處于液態(tài)時仍有相當?shù)膹姸?，故可維持原來的形狀。
本發(fā)明的定形相變貯能材料中，HDPE所占的質量百分比宜在15％到30％之間，石蠟所占的質量百分比則可在85％到70％之間。若HDPE的質量百分比過小，則無法形成完整的空間構架，即所得材料無法在相變條件下定形；而若HDPE的質量百分比過大，則所得定形相變材料的潛熱偏小，實用價值不大。
本發(fā)明定形相變貯能材料中的石蠟可根據(jù)具體需要選用不同熔點的石蠟。
本發(fā)明定形相變貯能材料的成型狀態(tài)可根據(jù)需要制成不同的形狀，如板材、粒狀等，從而可便于將本發(fā)明定形相變材料與建筑材料，如混凝土、石膏等共混制成各種具有貯能效果的建材。
本發(fā)明定形相變貯能材料的使用方法可采用太陽能直接加熱、傳熱介質加熱及電加熱等形式貯存能量，并通過直接散熱或利用傳熱介質將熱量帶至所需的場合。
本發(fā)明定形相變貯能材料的適用范圍可用于太陽能利用、工業(yè)余熱利用、建筑采暖或空調、電能的移峰填谷等。
與傳統(tǒng)的相變材料諸如結晶水合鹽、熔鹽及有機類相變貯能材料相比，本發(fā)明的定形相變貯能材料有以下優(yōu)點1、由于作為支撐材料的HDPE的軟化點(120℃)遠高于作為相變基材的石蠟的熔點(≤66℃)，所以只要使用溫度不高于HDPE的軟化點，本發(fā)明的定形相變貯能材料即可維持其原來的形狀。由此，可省卻傳統(tǒng)相變材料在使用中的封裝或容器費用。
2、由于定形的特征，在實際應用中不需要容器，能與傳熱介質直接接觸，從而避免了傳統(tǒng)相變材料由于封裝材料或容器所帶來的接觸熱阻；且本發(fā)明的定形相變貯能材料無傳統(tǒng)相變材料的過冷或析晶等現(xiàn)象，貯能效果好。
3、本發(fā)明的定形相變貯能材料可根據(jù)需要很容易地制成板材、顆粒狀等不同的形狀，或可與建筑材料如混凝土、石膏等共混制成各種具有貯能效果的建材，使用方便。
4、本發(fā)明中作為相變基材的石蠟可根據(jù)需要選擇不同的熔點，具有廣泛的適用性。


圖1為本發(fā)明定形相變貯熱材料的掃描電子顯微鏡(SEM)照片圖2為本發(fā)明定形相變貯熱材料及其所用HDPE的差示掃描量熱計(DSC)分析結果。
具體實施例方式實施例11、定形相變貯熱材料的制作選用5000S號HDPE作為支撐材料，以52號石蠟作為相變基材，將HDPE和石蠟按質量比25/75、在140-160℃條件下共混、并冷卻至石蠟的熔點，即成型。
2、性能檢測分別采用SEM和DSC對樣品進行檢測。
SEM分析結果見附圖1。該圖為本實施例中制作的定形相變貯熱材料的放大500倍的SEM照片，由圖1可看到照片中的白色部分為HDPE形成的比較完整的三維空間網絡結構，圖中的黑色部分為石蠟，其散布在HDPE形成的三維空間網絡結構中。
DSC分析結果見附圖2。該圖橫坐標為溫度，縱坐標為熱流。圖中曲線A是對定形相變材料的分析結果，自左邊起前兩個峰為定形相變材料中石蠟的相變峰，第三個相變峰代表其中HDPE的相變，它與前兩個石蠟的相變峰之間相隔有一定的距離，可以看出石蠟的相變離HDPE的相變之間有較大的溫差，這個溫差是HDPE起支撐作用的原因。曲線B為純HDPE的DSC分析結果。將曲線A中的第三個相變峰與曲線B中的相變峰相比，其曲線上開始出現(xiàn)相變峰的起始位置即開始出現(xiàn)相變的溫度基本相同，說明定形相變材料中的石蠟對其中的HDPE的軟化溫度基本上沒有影響。
考慮到常溫熱利用，定形相變材料的軟化點的溫度已遠高于石蠟的熔點溫度，相變潛熱為157kJ/kg。
此外，還選用了6098A、2100J、6100G、5200S、6100M、5000S、4000F、6600F、5000S、3300F等牌號的HDPE分別與52號、54號、56號石蠟及常溫下處于液態(tài)的石蠟(液蠟)進行與實施例1類似的試驗，均獲得了具有類似性能的定形相變材料。
權利要求
1.一種定形相變貯能材料，特征在于其為由質量百分比85％到70％石蠟散布在質量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)形成的三維空間網絡結構中構成的共混成型物。
2.一種定形相變貯能材料的制備方法，特征在于將質量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)和85％到70％石蠟混合，加熱到高于HDPE的熔點溫度，然后使混合物降溫至凝固。
全文摘要
本發(fā)明定形相變貯能材料及其制備方法，特征在于將質量百分比15％到30％的高密度聚乙烯(HDPE)和85％到70％石蠟混合加熱到高于HDPE的熔點溫度，然后使混合物降溫至凝固，得到由石蠟散布高密度聚乙烯(HDPE)形成的三維空間網絡結構中構成的共混成型物。本發(fā)明定形相變貯能材料可采用太陽能直接加熱、傳熱介質加熱及電加熱等形式貯存能量，用于太陽能利用、工業(yè)余熱利用、建筑采暖或空調、電能的移峰填谷等。
文檔編號C09K5/06GK1506434SQ0214848
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月7日 優(yōu)先權日2002年12月7日
發(fā)明者葉宏, 葛新石, 王軍, 程曉舫, 葉 宏 申請人:中國科學技術大學