天然木棉纖維管包封的相變材料及其封裝方法
2023-06-02 10:15:21
專利名稱：天然木棉纖維管包封的相變材料及其封裝方法
技術領域：
本發明涉及相變材料的封裝材料，特別是涉及使用天然植物纖維管封裝 在寬溫度範圍內具有相變調溫功能的多種相變材料，以及利用該封裝材料進 行封裝相變材料的方法。
背景技術：
相變材料(Phase change materials, PCM)，又稱為潛熱儲能材料(Latent thermal energy storage, LTES)是利用物質發生相變時需要吸收(或放出)大量熱 量的性質來貯熱的，具有貯熱密度高、設備體積小、熱效率高以及吸放熱為 恆溫過程等優點。相變材料作為儲能載體，可以提高能源的利用率、緩解能 源緊張的難題，已被廣泛運用於冰箱和空調的製冷和蓄冷、智能建築物的自 動恆溫、太陽能應用中的能量儲存和交換技術、電力的"移峰填谷"、廢熱和 餘熱的回收利用以及日用品(如保暖服裝、電器防熱外殼、保鮮盒、保溫盒、 取暖器、儲能炊具等)中。由於它使用簡便、不耗能，具有很大的應用前景和 廣闊市場。根據相變溫度可分為高溫相變材料、中溫相變材料和低溫相變材料。 按材料的組成可分為無機類、有機類和高分子類。按照相變方式可分為四類 固-液相變、固-固相變、固-氣相變及液-氣相變，後兩者在相變過程中伴隨有 大量的氣體存在，使材料體積變化較大，在實際應用中很少被選用。固-液相 變儲能材料是研究中相對成熟的一類儲能材料，但由於該材料在相變過程中 有液相產生，因此必須用容器密封盛裝，以防止洩漏汙染環境，並且容器對 相變材料而言必須是惰性的。這一缺點極大地束縛了固-液相變儲能材料在實際中的應用。目前主要通過以下兩個途徑克服其缺點複合相變儲能材料是指將相變材料與載體物質相結合，形成一種外形上 可保持固體形狀、具有不流動性的相變材料，其可代替固-固相變材料。這類 相變材料的主要組成有兩種其一是工作物質成分，即相變材料，利用其相變來進行儲能、放能，工作物質包括各種相變材料，但用得較多的主要是固-液相變材料。其二是載體物質，其作用是保持相變材料的不流動性和可加工 性，載體物質的熔化溫度要求高於相變材料的相變溫度，使工作物質的相變 範圍內保持其固體的形狀和材料性能。具體製備方法包括利用毛細管作用將相變材料吸附到多孔基質中；共混法製備複合相變材料；共聚法製備複合 相變材料；納米技術製備複合相變材料；燒結法。膠囊型相變材料。為解決固-液相變材料存在相變後液相的流動洩漏問題， 研究工作者提出了將相變材料進行膠囊化，製成膠囊型相變材料。採用膠囊 化技術來製備膠囊型複合相變材料，能有效解決相變材料的洩漏、相分離以 及腐蝕性等問題。然而，對於微膠囊的囊壁的強度、滲透性以及耐熱性還有 待於提高，而且主要是成本較高。中國發明專利申請號為200610117225.0的專利申請公開了一種木棉相變 材料的製造方法，該方法採用交聯劑及催化劑，將相變材料固定在木棉纖維 中，其缺陷是製備過程中將相變材料直接化學交聯固化而沒有進一步的包封 過程，所得相變材料只能發生固-固轉變以防止相變材料滲出，材料選擇有限， 相變潛熱較小。發明內容本發明的目的是提供天然木棉纖維管包封的相變材料，是利用價廉易得 的天然纖維管——木棉纖維作為封裝各種相變材料的封裝材料，是利用木棉 纖維的大中空結構來封裝在寬溫度範圍內具有相變調溫功能的多種相變材 料。本發明的再一 目的是提供目的一的天然木棉纖維管包封的相變材料的方法。本發明的相變材料的封裝材料是一種天然木棉纖維管。 本發明的天然木棉纖維管包封的相變材料是在木棉纖維管中封裝有相變材料，在封裝有相變材料的木棉纖維管外壁及兩端為聚合物封壁及封端。本發明所述的被封裝於木棉纖維大中空纖維管中的相變材料的相變點可根據使用要求選擇合適的相變材料，包括固-液相變材料和/或固-固相變材料。所述的固-液相變材料包括無機類相變材料或有機物相變材料。材料是結晶水合鹽類或熔融鹽類等。所述的結晶水合鹽類包括鹼金屬或鹼土金屬的滷化物、硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽或碳酸鹽，如Na2S(V10H20、 Na2HP04*12H20、 CaCl2 6H20、 SnCl-6H2。等。所述的熔融鹽類是K2W04或K2Mo04等。所述的有機物相變材料選自高級脂肪烴類、脂肪酸或酯；或高級脂肪酸 或酯的鹽類或醇類；芳香烴類、芳香酮類或醯胺類；或氟利昂類、多羰基碳 酸類或結晶高分子等中的一種。所述的高級脂肪烴類是正二十八烷、正二十七烷、正二十六烷、正二十 五垸、正二十四垸、正二十三垸、正二十二垸、正二十一垸、正二十烷、正 十九垸、正十八垸、正十七烷、正十六垸、正十五烷、正十四垸或正十三垸 等。所述的結晶高分子是高密度聚乙烯、聚乙二烯或結晶聚氯乙烯等。 所述的固-固相變材料包括無機鹽類、多元醇類或高分子交聯樹脂類。 所述的無機鹽類是Li2S04或KHF2等。所述的多元醇類是季戊四醇(PE)、 2， 2-二羥甲基丙醇(PG)、新戊二醇 (NPG)、 2-氮基-2-甲基-1. 3-丙二醇、三羥甲基乙垸或三羥甲基氨基甲垸等。 所述的高分子交聯樹脂類是交聯聚烯烴或交聯聚縮醛等。本發明的天然木棉纖維管包封的相變材料的封裝方法，該方法包括以下 步驟(1) 芯材相變材料的液化將相變材料加熱到熔點以上或用溶劑溶解相變材料獲得液態相變材料；(2) 天然木棉纖維管對液態相變材料的毛細吸附 將天然木棉纖維管分散於步驟(1)的液態相變材料中，浸泡使毛細吸收達到平衡，天然木棉纖維管內充滿液態的相變材料；然後，將天然木棉纖維 管撈出，擠去天然木棉纖維之間吸附的相變材料，保留天然木棉纖維管內充 滿的液態相變材料；(3) 相變材料的固化降低步驟(2)體系的溫度到相變材料的相變點以下或將溶劑揮發使相變 材料固化；(4) 封壁及封端木棉纖維管將步驟(3)充滿了相變材料的天然木棉纖維管浸漬於聚合物溶液中，然 後撈出、晾乾封壁及封端木棉纖維管。所述的聚合物是環氧樹脂、聚丙烯腈或醋酸纖維素等。 所述的溶劑是去離子水、N，N，-二甲基甲醯胺、N，N，-二甲基乙醯胺、四氫 呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、環己垸、甲醇、乙醇或丙酮等。本發明與現有的相變材料包封技術相比有如下有益效果1. 本發明採用的包封管是廉價易得的天然纖維管——木棉纖維。木棉纖維 是一種具有大比表面積、大中空度結構的天然纖維素纖維，中空度高達80 90%，是現有的人工製備方法難以達到的，用於製造相變儲能材料比現有的任 何纖維都更有優勢；且木棉纖維熱穩定性好，在25(TC下基本不發生熱降解。 同時，木棉纖維的化學穩定性較好，只在高濃度的強酸中才可溶解。2. 利用具有大比表面積微孔結構的天然纖維管——木棉纖維作為支撐材 料，通過微孔的毛細作用力，將液態的有機物或無機物相變儲熱材料(高於相 變溫度條件下)吸入到微孔內，形成有機和無機、有機或無機複合相變儲熱材 料。這種複合相變儲熱材料，當有機或無機相變儲熱材料在微孔內發生固-液 相變時，由於毛細管力的作用，液態的相變儲熱材料很難從微孔中溢出。3. 雖然有毛細力作用在一定程度上解決了固-液相變材料的流動性問題， 但其仍為一個"開放"的包裹體系，所以可再採用聚合物溶液浸漬已吸附了 相變材料的纖維管(低於相變溫度條件下)，對纖維管封壁、封端。4. 由於木棉纖維管的大中空度使其儲能密度大，封閉結構使能量輸出穩 定，極細的微米級管狀結構使傳熱迅速，熱及化學穩定性有利於長期使用， 特殊的親油疏水的浸潤性能在加工過程中可被利用。下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步說明。
圖1為本發明實施例1用天然木棉纖維管封裝熔點在6(TC左右的石蠟後 用聚丙烯腈封口後的相變材料在循環升降溫下的DSC曲線圖。圖2為本發明實施例1掃描電鏡照片，其中a)天然木棉纖維管；b)用 聚丙烯腈封口的木棉纖維管；c)和d)石蠟填充木棉纖維管。圖3為純木棉纖維管的DSC曲線圖。
具體實施方式
實施例1.(1) 芯材的液化將有機相變材料石蠟加熱到熔點60°C以上獲得液態的石蠟相變材料；(2) 天然木棉纖維管對液態相變材料的毛細吸附 將天然木棉纖維管分散於步驟(1)的液態相變材料中，浸泡使毛細吸收達到平衡，纖維管內充滿液態的相變材料。然後，將纖維管撈出，擠去纖維 間吸附的相變材料，而保留纖維內仍被液態相變材料充滿；(3) 相變材料的固化降低步驟(2)體系的溫度到相變材料的相變點6(TC以下，使相變材料石 蠟固化；(4) 對填充了相變材料的纖維管封壁、封端將步驟(3)填充了相變材料的纖維管浸漬於濃度為5wt%的聚丙烯腈的 N,N'-二甲基甲醯胺溶液中，撈起後浸入去離子水凝固浴中固化，然後晾乾。 相變材料在循環升降溫下的DSC曲線如圖1所示，掃描電鏡照片如圖2所示。實施例2.(1) 芯材的液化將有機相變材料季戊四醇(PE)溶解到乙醇中獲得液態的季戊四醇(PE)溶 液相變材料；(2) 天然木棉纖維管對液態相變材料的毛細吸附 將天然木棉纖維管分散於步驟(1)得到的液態相變材料中，浸泡使毛細吸收達到平衡，纖維管內充滿液態的相變材料。然後，將纖維管撈出，擠去 纖維間吸附的相變材料，而保留纖維內仍被液態相變材料充滿；(3) 相變材料的固化將步驟(2)得到的含有乙醇溶劑的相變材料的乙醇揮發掉，使相變材料 季戊四醇(PE)溶液濃縮固化；(4) 對填充了相變材料的纖維管封壁、封端將步驟(3)填充了相變材料的纖維管浸漬於濃度為5wt%的醋酸纖維素 的二氯甲烷溶液中，撈起後晾乾。實施例3.(1) 芯材的液化將無機相變材料CaCl2*6H20溶解到去離子水中獲得液態的CaCl2*6H20 溶液相變材料；(2) 天然木棉纖維管對液態相變材料的毛細吸附 將天然木棉纖維管分散於步驟(O的液態相變材料中，浸泡使毛細吸收達到平衡，纖維管內充滿液態的相變材料。然後，將纖維管撈出，擠去纖維 間吸附的相變材料，而保留纖維內仍被液態相變材料充滿。(3) 相變材料的固化將步驟(2)得到的含有去離子水溶劑的相變材料的去離子水揮發掉，使 相變材料CaCl2，6H20溶液濃縮固化；(4) 對填充了相變材料的纖維管封壁、封端將步驟(3)填充了相變材料的纖維管浸漬於濃度為5wt%的醋酸纖維素 的二氯甲烷溶液，撈起後晾乾。實施例4.(1) 芯材的液化將有機相變材料季戊四醇(PE)和無機相變材料Li2S04溶解到去離子水和 酒精的混合溶液中獲得液態的有機/無機混合相變材料；(2) 天然木棉纖維管對液態相變材料的毛細吸附 將天然木棉纖維管分散於步驟(1)的液態相變材料中，浸泡使毛細吸收達到平衡，纖維管內充滿液態的相變材料。然後，將纖維管撈出，擠去纖維 間吸附的相變材料，而保留纖維內仍被液態相變材料充滿；(3) 相變材料的固化將步驟(2)得到的含有去離子水和酒精溶劑的相變材料的去離子水和酒 精揮發掉，使相變材料季戊四醇(PE)和Li2S04的混合溶液濃縮固化；(4) 對填充了相變材料的纖維管封壁、封端將步驟(3)填充了相變材料的纖維管浸漬於濃度為5wt%的聚丙烯腈的 N， N'-二甲基甲醯胺溶液中，撈起後浸入去離子水凝固浴中固化，然後晾乾。
權利要求
1.一種天然木棉纖維管包封的相變材料，其特徵是該天然木棉纖維管包封的相變材料是在木棉纖維管中封裝有相變材料，在封裝有相變材料的木棉纖維管外壁及兩端為聚合物封壁及封端。
2. 根據權利要求1所述的天然木棉纖維管包封的相變材料，其特徵是所 述的被封裝於木棉纖維大中空管中的相變材料包括無機相變材料和/或有機物 相變材料的固-液相變材料；或無機鹽、多元醇或高分子交聯樹脂的固-固相變 材料。
3. 根據權利要求2所述的天然木棉纖維管包封的相變材料，其特徵是所 述的無機相變材料是結晶水合鹽或熔融鹽。
4. 根據權利要求3所述的天然木棉纖維管包封的相變材料，其特徵是所 述的結晶水合鹽包括鹼金屬或鹼土金屬的滷化物、硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、 醋酸鹽或碳酸鹽；所述的熔融鹽是K2W04或K2Mo04。
5. 根據權利要求2所述的天然木棉纖維管包封的相變材料，其特徵是所 述的有機物相變材料選自高級脂肪烴、脂肪酸或酯；或高級脂肪酸或酯的鹽 或醇；芳香烴、芳香酮或醯胺；或氟利昂、多羰基碳酸或結晶高分子中的一 種。
6. 根據權利要求5所述的天然木棉纖維管包封的相變材料，其特徵是所 述的高級脂肪烴是正二十八垸、正二十七烷、正二十六垸、正二十五烷、正 二十四烷、正二十三垸、正二十二垸、正二十一烷、正二十垸、正十九垸、 正十八垸、正十七垸、正十六垸、正十五烷、正十四垸或正十三垸。
7. 根據權利要求5所述的相變材料的封裝材料，其特徵是所述的結晶高 分子是高密度聚乙烯、聚乙二烯或結晶聚氯乙烯。
8. 根據權利要求2所述的天然木棉纖維管包封的相變材料，其特徵是所 述的無機鹽是Li2S04或KHF2;所述的多元醇相變材料是季戊四醇、2， 2-二羥甲基丙醇、新戊二醇、2-氮基-2-甲基-1. 3-丙二醇、三羥甲基乙垸或三羥甲基氨基甲烷； 所述的高分子交聯樹脂是交聯聚烯烴或交聯聚縮醛。
9. 一種根據權利要求1 8任一項所述的天然木棉纖維管包封的相變材料的封裝方法，其特徵是，該方法包括以下步驟(1) 芯材相變材料的液化 將相變材料加熱到熔點以上或用溶劑溶解相變材料獲得液態相變材料；(2) 天然木棉纖維管對液態相變材料的毛細吸附 將天然木棉纖維管分散於步驟(1)的液態相變材料中，浸泡使毛細吸收達到平衡，天然木棉纖維管內充滿液態的相變材料；然後，將天然木棉纖維 管撈出，擠去天然木棉纖維之間吸附的相變材料，保留天然木棉纖維管內充 滿的液態相變材料；(3) 相變材料的固化降低步驟(2)體系的溫度到相變材料的相變點以下或將溶劑揮發使相變 材料固化；(4) 封壁及封端木棉纖維管對步驟(3)充滿了相變材料的天然木棉纖維管浸漬於聚合物溶液中，然 後撈出晾乾，封壁及封端木棉纖維管。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特徵是所述的聚合物是環氧樹脂、 聚丙烯腈或醋酸纖維素；所述的溶劑是去離子水、N,N，-二甲基甲醯胺、N,N，-二甲基乙醯胺、四氫 呋喃、二氯甲垸、三氯甲烷、環己垸、甲醇、乙醇或丙酮。
全文摘要
本發明涉及相變材料的封裝材料，特別是涉及使用天然植物纖維管封裝在寬溫度範圍內具有相變調溫功能的多種相變材料，以及利用該封裝材料進行封裝相變材料的方法。本發明是利用價廉易得的天然纖維管——木棉纖維作為封裝各種相變材料的封裝材料，該天然木棉纖維管包封的相變材料是在木棉纖維管中封裝有相變材料，在封裝有相變材料的木棉纖維管外及兩端為聚合物封壁及封端。本發明利用木棉纖維作為相變儲能材料比現有的任何纖維都更有優勢，且木棉纖維熱穩定性好，在250℃下基本不發生熱降解。由於木棉纖維管的大中空度使其儲能密度大，封閉結構使能量輸出穩定，極細的微米級管狀結構使傳熱迅速，特殊的親油疏水的浸潤性能在加工過程中可被利用。
文檔編號D01D5/24GK101328400SQ20071011775
公開日2008年12月24日 申請日期2007年6月22日 優先權日2007年6月22日
發明者張小莉, 張曉豔, 堅 徐 申請人:中國科學院化學研究所