CN101712862A

CN101712862A - 用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体及其制备方法

Info

Publication number: CN101712862A
Application number: CN200910232705A
Authority: CN
Inventors: 钱春香; 高桂波; 李志刚
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: CN101712862B

Abstract

本发明公开了一种用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体及其制备方法，方法为：第一步，将1质量份的十六烷微胶囊加入到3-10质量份的水中，室温下边搅拌边加入0.04-0.06质量份的5％wt的羟甲基纤维素水溶液，制成相变材料微胶囊悬浮液，所述的十六烷微胶囊的壁材为聚脲-蜜胺树脂，相变温度为17.42℃，相变焓为147.93J/g，粒径范围为1.51-10.48um；第二步，调节第一步制得的相变材料微胶囊悬浮液的pH＝8±1，然后继续搅拌得到悬浮性能稳定的相变材料微胶囊悬浮液，也就是用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体。导热流体的悬浮稳定性高，表观比热较高，具有良好的流动性。

Description

用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体及其制备方法

技术领域

本发明属于应用相变材料来降低混凝土内部水化热领域，涉及一种以水为液态载体、以十六烷微胶囊颗粒为功能成分的用于降低大体积混凝土内部温升的导热功能流体的制备方法。

背景技术

大体积混凝土浇筑之后，水泥水化反应释放的水化热会导致结构内部的温度大幅上升，进而产生较大的温度应力，导致出现温度裂缝，严重影响结构耐久性。目前常用的降低大体积混凝土内部温升的方法是在预埋管道中通水冷却，但此方法存在导热能力较低、冷却管道分布密度较高、冷却过程中管壁与混凝土基体的局部温度梯度过大等问题。有效解决以上问题的重要途径是采用导热能力更强的功能流体代替水作为冷却介质。

导热功能流体是将相变材料与液态载体以恰当的方式结合制备出的液态流体。导热功能流体中的相变材料在发生固液相变的过程中够吸收或放出大量热量，使流体在相变温度区间具有更高表观比热，从而具有更高的导热能力。采用导热功能流体代替水作为冷却介质，不仅可以获得更好的降温效果，还可有效降低冷却管导的分布密度和冷却介质循环过程中的能耗，有效避免冷却管道与混凝土基体之间局部微裂缝的出现，对于提高大体积混凝土结构的施工质量、降低施工费用、节约能源意义重大。

目前导热功能流体种类及其制备方法主要有：

1)相变材料乳液

相变材料乳液是将相变材料直接分散在水中形成乳液。目前制备相变材料乳液的方法主要有剪切乳化和超声乳化两种方法。剪切乳化是发展较早、应用领域广泛的方法，是将液体通过高速旋转的转子与固定的定子之间的间隙，使液体受到巨大的剪切力而乳化的方法。剪切乳化方法耗能耗时长，乳液悬浮液滴的直径在达到一定极限后难以继续细化，使其使用受到一定限制；超声乳化是指在超声能量作用下，利用超声波的“空化效应”，使两种或两种以上不相溶液体混合均匀形成分散物系，其中一种液体均匀分布在另一液体之中而形成乳状液的工艺过程。超声乳化具有节时、节能等优势，获得了较为广泛的应用。

相变材料乳液作为导热流体，不仅要求乳液中的相变彩料液滴具有合适的浓度与粒径分布，同时还要求液滴在使用过程中保持良好的悬浮稳定性。但相变材料在温度变化过程中不断发生固-液相变，很容易导致相变材料的聚集结块，进而出现冷却效率降低、冷却管道堵塞等问题，使其应用受到很大的限制。

2)相变材料微胶囊悬浮液

用高分子聚合物包裹相变材料形成微囊，并将微胶囊分散于水中形成悬浮液，便可形成在相变温度区间具有更高导热能力的功能流体。目前，相变材料微胶囊的制备技术已较为成熟，导热流体中的相变材料由于有聚合物外壳包裹，微胶囊悬浮液不易堵塞管道，相比于相变材料乳液具有更高的应用可行性。但由于相变材料微胶囊的粒径较小，微胶囊颗粒在范德华力的作用下容易相互吸引发生碰撞并黏附在一起，导致流体的悬浮稳定性大大降低。同时，悬浮体系的酸碱度、浓度等条件也会对其稳定性产生较大的影响。相变材料微胶囊悬浮液的稳定性是其获得理想应用效果的重要制约因素。

发明内容

本发明针对目前的相变材料微胶囊悬浮液的稳定性不够好的缺点，提供了一种用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体及其制备方法，兼顾了良好的稳定性与较高的导热能力。

本发明的技术方案为：一种用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体，为一种微胶囊悬浮液，以十六烷微胶囊为分散质，以水为液态载体，采用0.2-0.3％wt的羟甲基纤维素为分散剂，液态体系的酸碱度为pH＝7-9、相变材料十六烷微胶囊的浓度为10-30％wt，所述的十六烷微胶囊的壁材为聚脲-蜜胺树脂，相变温度为17.42℃，相变焓为147.93J/g，粒径范围为1.51-10.48um。

所述的用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体的具体制备过程如下：

将羟甲基纤维素溶解于50-70℃的水中，使其分子能够在水中充分伸展，配制成5％wt的溶液后冷却至室温待用；

将1质量份的十六烷微胶囊加入到3-10质量份的水中，室温下采用数显式搅拌机以200-300r/min的转速搅拌10-15min，搅拌过程中加入0.04-0.06质量份的5％wt的羟甲基纤维素溶液，使羟甲基纤维素分子吸附在相变材料微胶囊颗粒表面，进而使微胶囊颗粒之间产生混合位阻斥力作用，制成性能较为稳定的相变材料微胶囊悬浮液；

在搅拌速度为200-300r/min条件下，向相变材料微胶囊悬浮液中缓慢滴加10％wt的NaOH溶液调节pH＝8±1，滴加完毕后再在200-300r/min转速下搅拌10min，使羟甲基纤维素的空间位阻作用得以充分发挥，制备成悬浮性能稳定的相变材料微胶囊悬浮液也就是用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体。

有益效果：

1.浓度为20％wt的十六烷微胶囊悬浮液在72h内未出现分层现象，悬浮稳定性高。

2.相变材料微胶囊悬浮液在相变温度区间具有较高的表观比热。10％wt、20％wt、30％wt微胶囊浓度的悬浮液的最高比热分别可达7.137J/g℃、7.779J/g℃、8.716J/g℃，分别为水的1.70、1.86和2.08倍。

3.浓度分别为10％wt、20％wt、30％wt的相变材料微胶囊悬浮液具有良好的流动性，其恩氏粘度分别比水增加5％wt、9％wt和21％wt，增加幅度小，流动性好。

4.在出入口温度分别为15℃和25℃、冷却液流速为16L/m³h、混凝土试件半绝热条件下，采用浓度为20％的相变材料微胶囊悬浮液作为冷区介质与采用水作为冷却介质对混凝土内部温升的降低分别为6.6℃和4.1℃，降温幅度分别为最高温升的18.0％和28.9％。

附图说明

图1分散剂品种对微胶囊悬浮液稳定性的影响。

图2羟甲基纤维素掺量对微胶囊悬浮液稳定性的影响。

图3体系酸碱度对相变材料微胶囊悬浮液稳定性的影响。

图4不同浓度相变材料微胶囊悬浮液的比热。

图5不同浓度相变材料微胶囊悬浮液的粘度。

图6不同冷却介质对混凝土试块的降温效果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出具体说明。

实施例1

一种用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体，为一种微胶囊悬浮液，以十六烷微胶囊为分散质，以水为液态载体，采用0.25％wt的羟甲基纤维素为分散剂，液态体系的酸碱度为pH＝8、相变材料十六烷微胶囊的浓度为20％wt，所述的十六烷微胶囊的壁材为聚脲-蜜胺树脂，相变温度为17.42℃，相变焓为147.93J/g，粒径范围为1.51-10.48um。

将羟甲基纤维素溶解于70℃的水中，使其分子能够在水中充分伸展，配制成5％wt的溶液后冷却至室温待用；

将1质量份的十六烷微胶囊加入到4质量份的水中，室温下采用数显式搅拌机以200-300r/min的转速搅拌10-15min，搅拌过程中加入质量为0.04M的5％wt的羟甲基纤维素溶液，使羟甲基纤维素分子吸附在相变材料微胶囊颗粒表面，进而使微胶囊颗粒之间产生混合位阻斥力作用，制成性能较为稳定的相变材料微胶囊悬浮液；

在搅拌速度为200-300r/min条件下，向相变材料微胶囊悬浮液中缓慢滴加10％wt的NaOH溶液调节pH＝8，滴加完毕后再在200-300r/min转速下搅拌10min，使羟甲基纤维素的空间位阻作用得以充分发挥，制备成悬浮性能稳定的相变材料微胶囊悬浮液也就是用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体。

实施例2

一种用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体，为一种微胶囊悬浮液，以十六烷微胶囊为分散质，以水为液态载体，采用0.2％wt的羟甲基纤维素为分散剂，液态体系的酸碱度为pH＝7、相变材料十六烷微胶囊的浓度为10％wt，所述的十六烷微胶囊的壁材为聚脲-蜜胺树脂，相变温度为17.42℃，相变焓为147.93J/g，粒径范围为1.51-10.48um。

将羟甲基纤维素溶解于60℃的水中，使其分子能够在水中充分伸展，配制成5％wt的溶液后冷却至室温待用；

将1质量份的十六烷微胶囊加入到9质量份的水中，室温下采用数显式搅拌机以200-300r/min的转速搅拌10-15min，搅拌过程中加入质量为0.04M的5％wt的羟甲基纤维素溶液，使羟甲基纤维素分子吸附在相变材料微胶囊颗粒表面，进而使微胶囊颗粒之间产生混合位阻斥力作用，制成性能较为稳定的相变材料微胶囊悬浮液；

在搅拌速度为200-300r/min条件下，向相变材料微胶囊悬浮液中缓慢滴加10％wt的NaOH溶液调节pH＝7，滴加完毕后再在200-300r/min转速下搅拌10min，使羟甲基纤维素的空间位阻作用得以充分发挥，制备成悬浮性能稳定的相变材料微胶囊悬浮液也就是用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体。

实施例3

一种用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体，为一种微胶囊悬浮液，以十六烷微胶囊为分散质，以水为液态载体，采用0.3％wt的羟甲基纤维素为分散剂，液态体系的酸碱度为pH＝9、相变材料十六烷微胶囊的浓度为25％wt，所述的十六烷微胶囊的壁材为聚脲-蜜胺树脂，相变温度为17.42℃，相变焓为147.93J/g，粒径范围为1.51-10.48um。

将羟甲基纤维素溶解于50℃的水中，使其分子能够在水中充分伸展，配制成5％wt的溶液后冷却至室温待用；

将1质量份的十六烷微胶囊加入到3质量份的水中，室温下采用数显式搅拌机以200-300r/min的转速搅拌10-15min，搅拌过程中加入质量为0.06M的5％wt的羟甲基纤维素溶液，使羟甲基纤维素分子吸附在相变材料微胶囊颗粒表面，进而使微胶囊颗粒之间产生混合位阻斥力作用，制成性能较为稳定的相变材料微胶囊悬浮液；

在搅拌速度为200-300r/min条件下，向相变材料微胶囊悬浮液中缓慢滴加10％wt的NaOH溶液调节pH＝9，滴加完毕后再在200-300r/min转速下搅拌10min，使羟甲基纤维素的空间位阻作用得以充分发挥，制备成悬浮性能稳定的相变材料微胶囊悬浮液也就是用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体。

图1为分散剂品种对微胶囊悬浮液稳定性的影响，各种分散剂掺量均为微胶囊质量的0.1％。由图1可知，采用不同品种的分散剂配制的相变材料微胶囊悬浮液的稳定性差别明显。在掺量均为0.1％wt的情况下，采用羟甲基纤维素做分散剂制备的悬浮液稳定性最好，开始出现明显分层的时间较长；而采用其它两种分散剂制备的悬浮液稳定性较差，开始出现分层的时间也较短。

图2为羟甲基纤维素掺量对微胶囊悬浮液稳定性的影响，悬浮液体系的pH＝7。由图2可知，随着羟甲基纤维素掺量的增加，相变材料微胶囊悬浮液的分层体积先减少后增加，在羟甲基纤维素掺量为0.2-0.3％时，相变材料微胶囊悬浮液的分层体积最小，具有较高的悬浮稳定性；所以在制备相变材料微胶囊悬浮液作为导热功能流体时，分散剂羟甲基纤维素的最佳掺量为0.2-0.3％

图3为体系酸碱度对相变材料微胶囊悬浮液稳定性的影响，羟甲基纤维素掺量为微胶囊质量的0.2％。由3可知，悬浮体系的酸碱度对相变材料微胶囊悬浮液的稳定性具有明显影响。pH值在7～9之间，悬浮液稳定性较好。这时羟甲基纤维素几乎完全作用于相变材料微胶囊颗粒表面，羟甲基纤维素高分子链的空间位阻作用较大，悬浮体具有较高的稳定性；pH值低于7时，相变材料微胶囊颗粒与羟甲基纤维素发生高亲和吸附，饱和吸附量增大，所需羟甲基纤维素的用量增大，此时高分子链的空间位阻作用降低，因而悬浮体的絮凝倾向较大，稳定性较差；pH值大于9后，由于羟甲基纤维素的吸附量随pH值增大而减少，剩余的羟甲基纤维素分子进入液相，使其浓度增大，高分子链的桥连作用也增大，导致体系的絮凝倾向增大，悬浮液稳定性下降；当pH值为8±1时，体系稳定性最好，羟甲基纤维素分子链充分伸展，在空间位阻效应的作用下使体系的分散性能达到最佳状态。所以在制备相变材料微胶囊悬浮液作为导热功能流体时，体系pH值为8±1时稳定性最好。

图4为不同浓度相变材料微胶囊悬浮液的比热。由图4可知，在相变温度区间内，浓度分别为10％、20％、30％的悬浮液的比热明显增加，比热峰值分别为7.137J/g℃、7.779J/g℃和8.716J/g℃，分别为水的1.70倍、1.86倍和2.08倍。悬浮液中相变材料微胶囊颗粒浓度越高，在相变温度区间内发生固液相变的材料质量越多，吸收的热量也越多，表现为最大瞬时比热越大；不同浓度的相变材料微胶囊悬浮液比热峰值出现的温度均为18.5-19.0℃之间，这是由微胶囊中芯材的相变温度决定的；在非相变温度区，相变材料微胶囊颗粒浓度越高，悬浮液的比热值越低。虽然悬浮液的比热在非相变温度区间均低于水，但与水的比热差别较小。这是由于相变材料微胶囊在不发生相变时自身的比热低于水导致的。在相变温度区间内，相变材料微胶囊悬浮液的比热明显增加，说明其导热能力明显增加。

图5为不同浓度相变材料微胶囊悬浮液的粘度。由图5可知，随着相变材料微胶囊浓度的增加，悬浮液的粘度呈增加趋势。浓度分别为10％wt、20％wt、30％wt相变材料微胶囊悬浮液相比于水其恩氏粘度分别增加5％、9％和21％，增加幅度较小，具有很好的流动性。

图6为不同冷却介质对混凝土试块的降温效果。由图6可知，在不采取冷却措施情况下，混凝土试块中的最高温度为52.6℃，最高温升为22.8℃。采用水和相变材料微胶囊悬浮液作为冷却介质混凝土试块中的最高温度分别为48.5℃和46℃，温度峰值分别降低4.1℃和6.6℃，降温幅度分别为最高温升的18.0％和28.9％。相变材料微胶囊悬浮液的降温效果明显高于水的降温效果。

Claims

1.一种用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体的制备方法，其特征在于，步骤为：

第一步，将1质量份的十六烷微胶囊加入到3-10质量份的水中，室温下边搅拌边加入0.04-0.06质量份的5％wt的羟甲基纤维素水溶液，制成相变材料微胶囊悬浮液，所述的十六烷微胶囊的壁材为聚脲-蜜胺树脂，相变温度为17.42℃，相变焓为147.93J/g，粒径范围为1.51-10.48um；

第二步，调节第一步制得的相变材料微胶囊悬浮液的pH＝8±1，然后继续搅拌得到悬浮性能稳定的相变材料微胶囊悬浮液，也就是用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体。

2.如权利要求1所述的用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体的制备方法，其特征在于，搅拌速度为200-300r/min。

3.如权利要求1所述的用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体的制备方法，其特征在于，采用10％wtNaOH溶液调节pH值。

4.如权利要求1所述的用于降低大体积混凝土内部温升的导热流体的制备方法制备的导热流体，其特征在于，为一种微胶囊悬浮液，以十六烷微胶囊为分散质，以水为液态载体，采用0.2-0.3％wt的羟甲基纤维素为分散剂，液态体系的酸碱度为pH＝7-9、相变材料十六烷微胶囊的浓度为10-30％wt，所述的十六烷微胶囊的壁材为聚脲-蜜胺树脂，相变温度为17.42℃，相变焓为147.93J/g，粒径范围为1.51-10.48um。