一種用于被動式熱保護的定形相變材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復合定形相變儲熱材料的制備，具體的說是一種摻雜金屬納米線的具有很高相變潛熱，并且在溫度低于或高于其相變溫度時均呈固態(tài)且形狀穩(wěn)定的中溫復合定形相變儲熱材料及其制備方法，該材料的導熱性能適中，可用作被動式熱保護系統(tǒng)的儲熱材料。
【背景技術(shù)】
[0002]相變儲熱材料是一類通過材料發(fā)生相轉(zhuǎn)變而吸收或放出大量熱能，材料本身溫度不變或變化很小的材料。相變儲熱材料的應用可以分為兩大類:一類是儲存熱能以實現(xiàn)能量的高效利用；一類是被動式熱保護，即通過吸收或釋放從環(huán)境或被保護物體釋放的熱量，同時在環(huán)境與被保護物體之間產(chǎn)生一個熱障而使被保護的物體處于合適的溫度環(huán)境中。不論將相變儲熱材料應用于哪一領(lǐng)域，其儲熱容量都是越大越好，但是對導熱性能的要求有所不同。儲存熱能用的相變儲熱材料要求導熱系數(shù)越高越好，以實現(xiàn)熱量的快速吸收或釋放；熱保護用的相變儲熱材料則要求導熱系數(shù)適中，以既能具有一定的吸放熱速度，又能起到熱障的作用，從而使溫度不產(chǎn)生過大的波動。
[0003]目前研宄最多的相變儲熱材料是固-液相變儲熱材料，它具有較大的相變潛熱和較小的相變體積變化。從材料性質(zhì)可以將固-液相變儲熱材料分為無機類相變儲熱材料和有機類相變儲熱材料。無機類相變儲熱材料具有較大的相變儲熱容量，但是存在強腐蝕性和相變動力學性能較差，過冷度大且不穩(wěn)定的不足。有機類相變儲熱材料的優(yōu)點是無腐蝕性，相變動力學性能好，無過冷，且穩(wěn)定性非常好，應用較方便，但是它的導熱性能很差，通常只有0.2?0.3W/mK左右，有必要對其導熱性能進行調(diào)控。金屬納米具有導熱系數(shù)較高，比表面積高，長徑比大的特點，是一種理想的導熱增強填料?？紤]到材料的儲熱容量，金屬納米不能添加過多，使得到的復合相變儲熱材料的導熱系數(shù)不會很高，而是處于適中的水平，正好可應用于被動式熱保護領(lǐng)域。
[0004]固-液相變儲熱材料存在的另一個問題是使用過程中存在液態(tài)，因此必須解決材料封裝的問題。一個解決辦法是將固-液相變儲熱材料轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄐ蜗嘧儍岵牧?。當溫度高于定形相變儲熱材料的相變點時，它在宏觀上仍然表現(xiàn)為固態(tài)，解決了封裝的問題。此夕卜，在定形相變儲熱材料中，支撐材料的含量可以很低，因此具有很高的相變潛熱；材料的制備過程通常比較簡單，這是定形相變儲熱材料相比于微膠囊相變儲熱材料的主要優(yōu)勢。糖醇類物質(zhì)作為一種有機類相變儲熱材料，它的固-液相變溫度在83?190度之間，且具有極高的相變潛熱，它也是一類環(huán)境友好型材料，在食品添加劑領(lǐng)域已被應用于甜味劑。但是作為固-液相變儲熱材料，它必須解決封裝的問題。聚苯胺是一類導電高分子材料，制備過程非常簡單，同時它具有優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在熱解之前不會軟化，可作為一種優(yōu)良的支撐材料應用到定形相變儲熱材料領(lǐng)域?？紤]到它的熱穩(wěn)定性，當將其應用于糖醇類定形相變儲熱材料的支撐材料時，相比其他高分子材料，聚苯胺具有更明顯的優(yōu)勢。
[0005]基于此，本發(fā)明公開了一種以聚苯胺為支撐材料，以糖醇為相變儲熱材料，以金屬納米線為導熱填料的復合定形相變儲熱材料及其制備方法。通過該方法制備的復合定形相變儲熱材料，導熱填料被支撐材料錨固，不會在復合定形相變儲熱材料的使用過程中沉降分離而影響其性能。同時，所獲得的復合定形相變儲熱材料導熱性能適中，可用作相應溫度范圍內(nèi)被動式熱保護系統(tǒng)的儲熱材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種具有高相變潛熱的復合定形相變儲熱材料及其制備方法。該復合定形相變儲熱材料以聚苯胺為支撐材料，以糖醇為相變儲熱材料，以金屬納米線為導熱填料；其制備方法簡單，導熱性能適中，可用作被動式熱保護系統(tǒng)的儲熱材料。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種可用作被動式熱保護系統(tǒng)儲熱材料的復合定形相變儲熱材料的制備方法，具體為:先將一定量的金屬納米線與無水乙醇混合并超聲處理20?60分鐘得到金屬納米線/無水乙醇混合液；再加入一定量糖醇、表面活性劑和一定量無水乙醇，并將混合物在50?75°C下攪拌回流使糖醇和表面活性劑全部溶解；在劇烈攪拌下將溶液降至室溫得到穩(wěn)定懸浮液；往該懸浮液中加入苯胺和有機酸并攪拌混合均勻后，將混合物溫度降至5?20°C，然后加入過氧化苯甲酰引發(fā)苯胺的聚合反應，反應20?30小時后經(jīng)過濾、有機溶劑洗滌并干燥得到復合定形相變儲熱材料。
[0008]所述糖醇為木糖醇、山梨糖醇、赤蘚糖醇、麥芽糖醇、甘露醇和甜醇中的一種；所述金屬納米線為銅納米線和銀納米線之一種；所述表面活性劑為聚乙二醇4000、聚乙二醇6000、聚乙二醇8000、聚乙二醇10000和聚乙二醇20000中的一種；所述有機溶劑為無水乙醇或丙酮之一種，所述有機酸為對甲基苯磺酸和5-磺基水楊酸之一種。
[0009]所述糖醇的用量為糖醇與苯胺質(zhì)量之和的70?85%，所述得到的穩(wěn)定懸浮液中糖醇的含量為16.7?25.0 g/L,所述加入的一定量的無水乙醇的量為所述金屬納米線/無水乙醇混合液中所用無水乙醇的體積的I?2.33倍，所述銀納米線的用量為所用糖醇與苯胺質(zhì)量之和的5?67%，所述金屬納米線/無水乙醇混合液中金屬納米線的含量為3?42 g/L，所述表面活性劑用量為所用糖醇質(zhì)量的35?60%，，所述有機酸的用量是使其溶解于懸浮液后其濃度為0.068?0.18mol/L，所述過氧化苯甲酰用量為所用苯胺的物質(zhì)的量的2?3.5 倍。
[0010]所述復合定形相變儲熱材料中，聚苯胺為支撐材料，糖醇為相變儲熱材料，金屬納米線為導熱填料；當溫度高于含復合定形相變儲熱材料所含糖醇熔點時，該復合定形相變儲熱材料外觀仍呈固態(tài)且形狀穩(wěn)定，且復合定形相變儲熱材料的導熱系數(shù)隨著金屬納米線含量的增加而增加。
[0011]本發(fā)明具有如下優(yōu)點。
[0012]本發(fā)明提供了一種摻雜金屬納米線的復合定形相變儲熱材料及其制備方法，該材料具有高的相變潛熱，且導熱性能適中，可用作被動式熱保護系統(tǒng)的儲熱材料。同時支撐材料聚苯胺的熱穩(wěn)定性能完全滿足復合定形相變儲熱材料工作溫度的要求。該復合定形相變儲熱材料的制備方法簡單，成本較低。利用本發(fā)明可有效地改善糖醇類相變儲熱材料的性能，拓展其應用范圍。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，但這些實施例并不限制本發(fā)明的范圍。
[0014]本發(fā)明使用美國TA公司產(chǎn)生的Q2000型差示掃描量熱儀(DSC)按如下方法對所述復合定形相變儲熱材料的儲熱性能進行測試:稱取1.5?4mg的復合定形相變儲熱材料放入樣品坩禍中，在相變儲熱材料的相變溫度前后約40°C的溫度范圍內(nèi)，以10°C /min的升溫速率進行掃描；然后使用儀器自帶的程序?qū)嶒灲Y(jié)果進行處理，得到所制備的復合定形相變儲熱材料的起始相變溫度、相變峰值溫度和相變潛熱。
[0015]本發(fā)明使用湘潭華豐公司生產(chǎn)的DRX-11-RW型導熱系數(shù)測試儀測定所述復合定形相變儲熱材料的導熱系數(shù)，具體過程為:稱取1.5g左右復合定形相變儲熱材料，用壓片機在IMPa的壓力下壓制成一個圓柱體，設定儀器的熱端溫度與流過冷端的冷卻水的溫度均恒定，兩溫度差為15°C，待熱端與冷端的溫度穩(wěn)定后利用儀器自帶軟件測得材料的導熱系數(shù)。
[0016]實施例1。
[0017]I)制備懸浮液:取0.204g銀納米線，與40mL無水乙醇混合于圓底燒瓶中，超聲處理30分鐘得到銀納米線/無水乙醇混合液；往上述混合液加入2.0g赤蘚糖醇，0.7g聚乙二醇10000與60mL無水乙醇，放入75°C的水浴中，回流攪拌使赤蘚糖