CN107513376A - 一种高性能的相变储热材料及由其制得的容器 - Google Patents

Abstract

一种高性能的相变储热材料及由其制得的容器。该相变储热材料制备原料按重量百分比包括如下组分：有机相变材料60％‑95％，石墨3％‑30％，碳纤维1％‑5％，钼粉0.1％‑2％，石墨烯0.5％‑5％。该材料在储存能量的同时，可以大幅的增加其导热性，可以快速的将温度传递至相变材料中，且稳定可长期使用。使用本发明的相变储热材料的容器可以做到降温。滚烫的食物，如粥、汤、糊类食材在放入容器中之后，3分钟内，即可以食用，大大提高了降温效率。同时，本发明的相变储热材料及容器在快速降温的情况下，还可以提供持久的保温效果，如本发明的容器对于同等可食用温度的食材，在同等放置时间下，使用本发明中工艺制作的碗相比日用普通碗，可以延长保温时间1倍以上。

Description

一种高性能的相变储热材料及由其制得的容器

技术领域

本发明属于热交换材料领域，具体涉及一种高性能的相变储热材料及由其制得的容器。

背景技术

相变材料(PCM-Phase Change Material)是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。相变储热材料在航天器热控、相变储能、建筑节能、太阳能热利用、芯片散热等领域具有极为广泛的应用。常用的相变储热材料分为固液相变材料和固固相变材料，固液相变材料包括石蜡、脂肪酸、硫酸钠水合盐、氯化钙水合盐等，固固相变材料有多元醇、高分子化合物、层状钙钛矿等。

常规的相变储热材料主要有两个问题，一是在利用有机或者无机材料进行相变储热的情况下，单一的相变储热材料出现的最大的问题就是，其导热性不强，可以做到储存温度的特性，但吸收热量较慢，效果差。同时，普通的相变材料，其热焓值相对低，即单位克重的情况下，能储存的热量低，举例说明，如果需要吸收掉300ml开水的热量，普通相变材料一般需要至少250-300g的材料重量，才能保证产品性能的平衡以及达到预期的降温效果。另外，复合相变微胶囊产品可以提高一定的导热性，但无法兼顾热焓值，即需要更大的体积，来做到同样的事情，因此性能不佳。

现有的提高相变储热材料导热性能的方法主要集中于在传统相变材料中添加导热增强剂，即将金属粉、石墨颗粒等和相变材料混合，以提高复合相变材料的当量热导率(CN102241963A，CN102660230A)。然而，受制于基体相变材料热导率不高这一瓶颈性缺陷，通过这类方法制作而成的复合相变材料的热导率的提高依然相当有限。此外，上述方法还存在制作工艺复杂、多次吸放热循环后容易相分离、稳定性差等不足。因此，寻找一种热导率足够高、可长期使用、制作和使用方便的相变储热材料，仍然是当前工业界亟需解决的问题。

发明内容

为此，本发明的目的之一在于提供一种高性能的相变储热材料。该材料在储存能量的同时，可以大幅的增加其导热性，可以快速的将温度传递至相变材料中，且稳定可长期使用。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高性能的相变储热材料，其制备原料按重量百分比包括如下组分：

所述有机相变材料例如为63％、67％、71％、75％、79％、83％、88％、92％等。

所述石墨例如为5％、9％、13％、17％、21％、26％、29％等。

所述碳纤维例如为1.5％、2.3％、3.2％、3.8％、4.3％、4.8％等。

所述钼粉例如为0.3％、0.6％、0.9％、1.2％、1.5％、1.8％等。

所述石墨烯例如为等0.8％、1.2％、1.5％、2.3％、3.2％、3.8％、4.3％、4.8％等。

作为优选，所述的相变储热材料制备原料按重量百分比包括如下组分：

本发明以有机相变材料作为基础，石墨作为承载体，碳纤维和钼粉提供导热性，添加石墨烯，增加材料之间的结合性能，制得高性能的相变储热材料，也称为“冰炭”材料。普通相变材料一般需要至少250-300g的材料重量，才能保证产品性能的平衡以及达到预期效果；本发明中的“冰炭”材料，50g重量，即可达到相应效果，可大大减少体积和重量。

普通相变材料，导热性一般不强，做不到快速降低温度的特性，即使在达到快速导热特性情况下，其材料稳定性及可塑性往往较差。本发明则提供了一种结构稳定，性能稳定，长期使用无衰减的，可以快速导热并储存热量的高性能的快速导热相变材料，可以达到快速平衡温度的效果，同时通过材料配比修正，降低热损耗，提高材料的热焓值，使其可以储存尽量多的能量，达到更持久放热保温的目的。

作为优选，所述有机相变材料可使用石蜡、脂肪酸、月桂酸等脂类有机相变材料中1种或2种以上的组合，根据标号不同，制备不同反应温度的产品。根据产品需求，本发明在选取有机相变材料时候，根据所需相变温度，进行不同的材料选用，包括单元相变体系(即只有一种相变材料的材料体系)，和多元相变体系(上述几种材料混合)，用于制备不同温度的产品。多元相变体系中，材料仅在融化后做简单混合，无特殊处理。

优选地，所述有机相变材料的熔点为30-80℃。

优选地，所述有机相变材料的热焓值为50-350kJ/kg。

作为优选，所述石墨选用鳞片石墨，优选为鳞片可膨胀石墨。

作为优选，所述碳纤维选用长度为2mm-12mm的短切碳纤维，增强相变储热材料的整体结构强度以及导热性，优选为单丝结构。

作为优选，所述钼粉使用纳米级钼粉，增加相变储热材料的导热性，以及提供一个增强石墨、有机材料和碳纤维材料之间的分子结合力，使相变储热材料紧密结合，更优选为50-500nm的钼粉。

本发明独创了“冰炭”材料，其作用为，可以快速吸收热能，在一分钟内将贴附于“冰炭”材料的热能快速吸附，使其平衡到指定温度，并将能量进行储存，后期进行反向放热，同时，可以根据需要控制所储存的能量温度。

本发明的相变储热材料可以使用现有的方法或将来发现的方法制备。作为优选使用如下方法制备，包括如下步骤：

(1)将有机相变材料熔化后均匀混入高温的石墨中，石墨在高温情况下发生一定性质改变，两者结合，形成一种稳固的胶囊态材料，使有机材料被吸附于其上，在高温熔化后，仍保持固体状态；

(2)向步骤(1)所得材料喷入熔融态的钼粉，迅速冷却至300℃以下，加入石墨烯和已经预分散的碳纤维，进行充分混合，制得本发明的相变储热材料，也称为“冰炭”材料。钼粉需在2600-2700℃的高温下熔融。

优选地，步骤(1)中有机相变材料在300℃左右，如300±20℃熔化。

优选地，将石墨加热到1500℃左右，如1500±200℃高温。

本发明的目的之一还在于提供一种容器，包括内壁双层结构和外部套层，外部套层套在内壁双层结构外，内壁双层结构中放置本发明所述的相变储热材料。

本发明的容器可以方便快速组装及批量生产，提供最好的导热性结构，可以快速平衡温度，易于加工，并且具有足够的结构强度，以及外观的可适配性强。

作为优选，内壁双层结构用模具先行定型，后封装成一个整体，保证其稳定性以及致密性。

作为优选，内壁双层结构与本发明所述的相变储热材料接触位置增加金属蜂窝结构，以增强导热性。

作为优选，在内壁双层结构和外部套层中间加入高保温材料，优选但不限于使用气凝胶和/或发泡聚氨酯。

作为优选，所述容器的底部部分为分离结构，做出物理组装结构，与内壁双层结构进行物理接合。

优选地，所述物理组装结构包括但不限于螺口或按扣。

作为优选，本发明所述的容器结构如下：

内壁双层结构，内层放置本发明所述的相变储热材料，即“冰炭”材料，用模具先行定型，后封装成一个整体，保证其稳定性以及致密性；

内壁双层结构与“冰炭”材料接触位置，增加金属蜂窝结构，增强导热性；

在内壁双层结构外，套一层外部套层，外部套层不限制材料；

在内壁双层结构和外部套层中间，加入高保温材料，目前优选使用气凝胶和/或发泡聚氨酯作为产品保温材料，不限于该两种材料。

底部部分，分离结构，做出物理组装结构(如螺口，按扣等等)，与内壁双层结构进行物理接合如螺接。

本发明设计了一种容器结构，使容器中在盛放液体、流体、固体时候，可以快速平衡温度，并控制温度尽量长时间的恒定在一定温度，减缓容器内部温度的变化。

作为优选，所述容器为碗，由于食物放置其中1分钟左右即可食用，故又称为即食碗。

本发明的有益效果如下：

本发明的相变储热材料，可以在极小体积的情况下达到快速吸热，持久蓄热的特性，对比现有的材料，其导热系数高于传统相变材料数十倍，热焓值也远高于同等封装相变材料，可以快速降低容器中的材料温度，平衡至最佳使用温度，具有极佳性能。

使用本发明的相变储热材料的容器可以做到滚烫的食物，如粥、汤、糊类食材在放入容器中之后，3分钟内，最快可1分钟左右时间，即可以食用；使用同等口径的正常碗，食材冷却到可食用温度的情况下，需要不少于15分钟的时间，可见，本发明提供的容器可大大提高降温效率。

同时，本发明的相变储热材料及容器在快速降温的情况下，还可以提供持久的保温效果，如本发明的容器对于同等可食用温度的食材，在同等放置时间下，使用本发明中工艺制作的碗相比于日用普通碗，可以延长保温时间1倍以上。

附图说明

图1为本发明容器实施例1的整体图；

图2为图1所示容器的整体侧面图；

图3为图1所示容器的外部套层图；

图4为图1所示容器的内胆图；

图5为图4所示容器的内壁双层结构剖面图；

图6为图1所示容器的整体侧剖面图；

图7为图1所示容器的整体侧视仰视图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

一种高性能的相变储热材料，其制备原料按重量百分比包括如下组分：

实施例2

实施例3

一种高性能的相变储热材料，其制备原料按重量百分比包括如下组分：

实施例4

容器实施例1

使用实施例1制得的相变储热材料制作如图1所示的即食碗，图2为图1所示容器的整体侧面图；图6为图1所示容器的整体侧剖面图；图7为图1所示容器的整体侧视仰视图。所述即食碗包括图3所示的外部套层和图4所示的内壁双层结构；图5为图4所示内壁双层结构的剖面图。

如图6所示，本实施例制备的即食碗包括内壁双层结构和外部套层，外部套层套在内壁双层结构外，内壁双层结构中放置实施例1中制得的相变储热材料。

内壁双层结构用模具先行定型，后封装成一个整体，内壁双层结构与所述的相变储热材料接触位置增加金属蜂窝结构，在内壁双层结构和外部套层中间加入气凝胶，底部部分为分离结构，做出物理组装结构，与内壁双层结构通过螺口进行物理接合。

经检测，在25℃左右室温下，在容器中装入滚烫的粥后在3分钟内后即可食用。

容器实施例2

与容器实施例1相同，除了内壁双层结构中放置实施例2中制得的相变储热材料，在内壁双层结构和外部套层中间加入发泡聚氨酯。

经检测，在25℃左右室温下，在容器中装入滚烫的粥后在3分钟内后即可食用。

容器实施例3

与容器实施例1相同，除了内壁双层结构中放置实施例3中制得的相变储热材料。

经检测，在25℃左右室温下，在容器中装入滚烫的粥后在3分钟内后即可食用。

容器实施例4

与容器实施例1相同，除了内壁双层结构中放置实施例4中制得的相变储热材料。

经检测，在25℃左右室温下，在容器中装入滚烫的粥后在3分钟内后即可食用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高性能的相变储热材料，其制备原料按重量百分比包括如下组分：

2.根据权利要求1所述的相变储热材料，其特征在于，所述的相变储热材料制备原料按重量百分比包括如下组分：

3.根据权利要求1或2所述的相变储热材料，其特征在于，所述有机相变材料可使用石蜡、脂肪酸、月桂酸中1种或2种以上的组合；

优选地，所述石墨选用鳞片石墨，优选为鳞片可膨胀石墨。

4.根据权利要求1-3任一项所述的相变储热材料，其特征在于，所述碳纤维选用长度为2mm-12mm的短切碳纤维；

优选地，所述钼粉使用纳米级钼粉。

5.一种容器，包括内壁双层结构和外部套层，外部套层套在内壁双层结构外，其特征在于，内壁双层结构中放置权利要求1-4任一项所述的相变储热材料。

6.根据权利要求5所述的容器，其特征在于，内壁双层结构用模具先行定型，后封装成一个整体。

7.根据权利要求5或6所述的容器，其特征在于，内壁双层结构与所述的相变储热材料接触位置增加金属蜂窝结构。

8.根据权利要求5-7任一项所述的容器，其特征在于，在内壁双层结构和外部套层中间加入高保温材料，优选使用气凝胶和/或发泡聚氨酯。

9.根据权利要求5-8任一项所述的容器，其特征在于，所述容器的底部部分为分离结构，做出物理组装结构，与内壁双层结构进行物理接合；

优选地，所述物理组装结构为螺口或按扣。

10.根据权利要求5-9任一项所述的容器，其特征在于，所述容器为碗。