CN110625721A - 一种相变储能木材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相变储能木材的制备方法，按下述步骤进行：将木材放入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液中，再将溶液煮沸保持12‑48h，直至溶液颜色不发生变化；将煮好的木材放入去离子水中再次煮沸的4‑10h，中间更换去离子水，维持去离子水的pH为6‑8；c、将去离子水中的木材捞出，放入浓度为90‑100％的乙醇溶液中2‑6h；再将木材浸渍在固含量为15‑40％的相变微胶囊乳液中，在真空度为0.05‑0.2MPa的条件下浸渍0.5‑2h；浸渍的同时，分别朝木材的横向面和纵向面施加微波辐射；取出浸渍好的木材后在温度为25‑40℃下干燥72‑120h，得到相变储能木材。本发明制备的相变储能木材具备较大的相变热焓值以及优异的稳定性，热循环耐久性较好，使用寿命长，而且相变微胶囊在木材中的渗透性好，分布均匀。

Description

一种相变储能木材的制备方法
技术领域
本发明涉及相变材料和木材加工技术领域，具体地说，设计一种相变储能木材的制备方法。
背景技术
相变材料是指在相变温度附近发生相变，吸收或释放大量热并保持自身温度不变的材料，因此被广泛的应用于节能、太阳能开发和电子设备等领域。根据相变状态，相变材料主要分为固-液、固-固、液-汽相变材料，其中固-液相变材料与其它两种相比具有潜热高、温度适宜等优点，因此应用最为广泛。但由于固-液相变材料在相变过程中存在体积变化、泄漏等缺点，会降低其储热能力，导致环境污染，所以如何解决固-液相变材料的体积变化、泄露等问题成为近年来研究的热点。微胶囊技术是将微量物质包裹在聚合物壳中的技术，是一种储存固体、液体、气体的微型包装技术，利用微胶囊技术可将相变材料包裹制备成相变微胶囊，将微胶囊加入去离子水中进行超声波分散即可获得相变微胶囊乳液。相变微胶囊可以最大限度的防止相变材料在相变过程中出现泄露现象，减少体积变化，并增加其导热面积，提高导热效率。
木材是一种天然的多孔材料，具有高强重比、良好的声学和美学特性，以及良好的加工性能，作为建筑材料和家具结构材料已经有了数千年的历史。利用木材的多孔性，在一定压力、温度下将改性药剂注入木材内部可以赋予木材更多的功能，如防腐、防霉、阻燃功能等。现有的技术中，为了达到控制室内温度的目的，一种是依靠外物进行工作，例如空调调节，放置冰块、洒水降温等，空调调节消耗大量的电能等能源，不利于节能减排，冰块洒水等方式的温度调节不稳定，不适合居家应用，另外一种是通过建筑材料进行保温，例如保温材料等应用，但是保温材料成本较高，制作过程繁琐，使用寿命短。公开号为CN107511900A中国申请专利公开了一种以脱木素木材为原料的热敏变色相变储能木材的制备方法，包括如下工艺步骤：(1)将木块加入到氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中，加热至沸腾保持一定时间，之后用去离子水洗涤，得到脱木素木材；(2)将脱木素木材加入到过氧化氢溶液中进行漂白，加热至沸腾，直至木材变白；(3)将结晶紫内酯和双酚A加入到熔融的十四醇中，在加热条件下进行磁力搅拌，得到复配物；(4)将脱木素木材放入复配物中浸渍，放入真空烘箱中一定时间，得到热敏变色相变储能木材。该方法制备得到的热敏变色相变储能木材可以用于调节室内温度，其中室内温度调节是通过复配物的相变储能进行的，但该方法不能有效地将复配物渗透进入木材中，而且复配物容易流失，造成相变储能木材使用寿命短的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相变储能木材的制备方法。本发明制备的相变储能木材具备较大的相变热焓值以及优异的稳定性，热循环耐久性较好，使用寿命长，而且相变微胶囊在木材中的渗透性好，分部均匀。
本发明的技术方案如下：一种相变储能木材的制备方法，按下述步骤进行：
a、将木材放入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液中，再将溶液煮沸保持12-48h，直至溶液颜色不发生变化；
b、将煮好的木材放入去离子水中再次煮沸的4-10h，中间更换去离子水，维持去离子水的pH为6-8；
c、将去离子水中的木材捞出，放入浓度为90-100％的乙醇溶液中2-6h；
d、再将木材浸渍在固含量为15-40％的相变微胶囊乳液中，在真空度为0.05-0.2MPa的条件下浸渍0.5-2h；浸渍的同时，朝木材的横向面施加500MHz-600MHz的微波辐射，朝木材的纵向面施加400MHz-500MHz的微波辐射；
e、取出浸渍好的木材后在温度为25-40℃下干燥72-120h，得到相变储能木材。
上述的相变储能木材的制备方法，按下述步骤进行：
a、将木材放入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液中，再将溶液煮沸保持12-48h，直至溶液颜色不发生变化；
b、将煮好的木材放入去离子水中再次煮沸的4-10h，中间更换多次去离子水，维持去离子水的pH为7；
c、将去离子水中的木材捞出，放入浓度为95％的乙醇溶液中3h；
d、再将木材浸渍在固含量为30％的相变微胶囊乳液中，在真空度为0.1MPa的条件下浸渍1h；浸渍的同时，朝木材的横向面施加550MHz的微波辐射，朝木材的纵向面施加450MHz的微波辐射；
e、取出浸渍好的木材后在温度为35℃下干燥96h，得到相变储能木材。
前述的相变储能木材的制备方法，所述的步骤a中，所述的氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中氢氧化钠的浓度为2.2-3.0mol/L，质量占比为15-50％；所述的氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中亚硫酸钠的浓度为0.2-0.8mol/L，质量占比为10-50％。
前述的相变储能木材的制备方法，所述步骤d中，真空浸渍期间每隔10-20min解除真空一次，然后再次抽真空进行浸渍。
前述的相变储能木材的制备方法，步骤c中浸渍后的木材还放入质量百分浓度为45-60％的硅酸钠溶液浸渍0.5-1h。
与现有技术相比，本发明相对于现有技术、比如公开号为CN107511900A中国申请专利在工序和参数上作了改进和优选，通过脱除木材的部分木质素扩大木材的细胞间隙，增大微孔的孔径，方便相变微胶囊乳液的浸渍填充；本发明尤其是在真空度0.05-0.2MPa的条件下将木材浸渍在相变微胶囊乳液中进行处理，采用真空浸渍，可以将木材细胞中的空气抽出，方便相变微胶囊乳液能够渗透至木材的细胞内，使得木材能够充分吸收相变微胶囊乳液，用于后续的相变储能；在真空浸渍的同时，本发明还朝木材的横向面施加500MHz-600MHz的微波辐射，朝木材的纵向面施加400MHz-500MHz的微波辐射，由微波辐射一方面改变木材组织的形状，并在细胞间隙之间形成大量的空洞，使得相变微胶囊乳液通过空洞进入木材内，充分吸收，另一方面由于微波辐射具有传播能量，在真空浸渍的同时，横向和纵向的微波辐射施加地不同方向波形振动，能够推动并带动相变微胶囊乳液均匀扩散在木材的导管、筛管、细胞孔隙等空隙内，进一步地使得木材内部充分的填充相变储能微胶囊，从而得到一种相变温度适宜、潜热大、稳定性高的相变储能木材。本发明制备的相变储能木材具备较大的相变热焓值；经试验本发明在100℃以下失重仅为4.5wt％，具有优异的热稳定性，而且相变温度范围为25-29℃，适用于室内温度调节；在经过100次的冷热循环后，相变储能木材的起始温度变化范围小，而且热焓值稳定，具有优越的热循环耐久性；本发明使用寿命长，制备方法简单，成本低廉，适合大面积推广，对于调节室内温度和实现建筑节能具有重要意义。此外，本发明还通过将在乙醇溶液浸渍后的木材放入硅酸钠溶液浸渍，由于硅酸钠具有粘合力，在木材浸渍在硅酸钠溶液中后会吸附硅酸钠，然后通过其粘合力将相变储能微胶囊强力的吸附在木材内，并通过后续的干燥过程使其固化，固化后的硅酸钠能贴合至孔隙通道的表面，使得被硅酸钠所捕捉的相变储能微胶囊具有强力的抗流失性，从而最终的提高变储能木材的稳定性和耐久性。并且由于硅酸钠固化的作用，可以提高储能木材的密度和强度，增强了储能木材的抗风化能力，大大地提高了储能木材的使用寿命。本发明在真空浸渍期间每隔10-20min解除真空一次，恢复常压后再次抽真空进行浸渍，可以消除木材内部的气泡，防止相变储能微胶囊乳液杯气泡阻隔而无法继续渗透，由此可以进一步地增强相变储能微胶囊乳液的渗透性。
附图说明
图1为相变储能微胶囊在相变储能木材中形状和粒径大小；
图2为相变储能木材的孔径大小；
图3为差示扫描量热仪(DSC)曲线图；
图4为热重分析仪(TG)曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例可以使本领域普通技术人员更全面的理解本发明。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1：
将长宽高为20×20×20mm的木块放入氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中，混合溶液中氢氧化钠的浓度为2.5mol/L，质量占比为20％；所述的氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中亚硫酸钠的浓度为0.4mol/L，质量占比为20％；将溶液煮沸12-48h，直到溶液颜色不再变化为止，将煮好的木块放入煮沸的去离子水中保持8h，中间更换去离子水4-6次，维持去离子水pH为7；再将处理后的木块取出放入浓度为90％的乙醇溶液中3h，制得脱木素木材。
称取固含量为40％的相变微胶囊乳液300g，搅拌均匀后放入锥形瓶中，再加入上一步制取的脱木素木材，并将锥形瓶在真空度为0.1MPa下真空浸渍1h，中间每隔20min解除真空一次，浸渍的同时，通过隧道式微波处理设备朝木材的横向面施加500MHz的微波辐射，朝木材的纵向面施加500MHz的微波辐射；将浸渍完成的木块取出，放入30℃烘箱中干燥90h，制得相变储能木材。
实施例2：
将长宽高为20×20×20mm的木块放入氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中，混合溶液中氢氧化钠的浓度为2.5mol/L，质量占比为50％；所述的氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中亚硫酸钠的浓度为0.4mol/L，质量占比为50％；将溶液煮沸12-48h，直到溶液颜色不再变化为止，将煮好的木块放入煮沸的去离子水中保持8h，中间更换去离子水4-6次，维持去离子水pH为7；再将处理后的木块取出放入浓度为95％的乙醇溶液中3h，制得脱木素木材。
称取固含量为30％的相变微胶囊乳液300g，搅拌均匀后放入锥形瓶中，再加入上一步制取的脱木素木材，并将锥形瓶在真空度为0.1Mpa下真空浸渍1h，中间每隔15min解除真空一次。将浸渍完成的木块取出，放入35℃烘箱中干燥96h，即制得本发明的相变储能木材。
实施例3：
将长宽高为20×20×20mm的木块放入氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中，混合溶液中氢氧化钠的浓度为2.5mol/L，质量占比为50％；所述的氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中亚硫酸钠的浓度为0.4mol/L，质量占比为50％；将溶液煮沸12-48h，直到溶液颜色不再变化为止，将煮好的木块放入煮沸的去离子水中保持8h，中间更换去离子水4-6次，维持去离子水pH为7；再将处理后的木块取出放入浓度为95％的乙醇溶液中3h，再放入质量百分浓度为53％的硅酸钠溶液浸渍0.8h，制得脱木素木材。
称取固含量为30％的相变微胶囊乳液300g，搅拌均匀后放入锥形瓶中，再加入上一步制取的脱木素木材，并将锥形瓶在真空度为0.1Mpa下真空浸渍1h，中间每隔15min解除真空一次，浸渍的同时，通过隧道式微波处理设备朝木材的横向面施加580MHz的微波辐射，朝木材的纵向面施加460MHz的微波辐射；将浸渍完成的木块取出，放入35℃烘箱中干燥96h，即制得本发明的相变储能木材。
在制得相变储能木材后，申请人通过扫描电子显微镜对储能木材进行观察，图1为相变储能微胶囊在相变储能木材中形状和粒径大小；图2为相变储能木材的孔径大小，从图1可以清晰看到相变储能微胶囊的形状和粒径大小，能够发现相变储能微胶囊填充在木材的导管和木纤维细胞中，这说明本发明采用的真空加压浸渍工艺，能够充分将相变储能微胶囊浸注到木材内部，使得木材内部充分的填充相变储能微胶囊，从而发挥相变储能的目的。从图2中可以清晰看到相变储能木材的孔径大小，本发明通过将木材放入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液中，再将溶液煮沸用于脱除木材的部分木质素，从而扩大木材的细胞间隙，增大微孔的孔径，方便后续相变储能微胶囊的填充和吸附。
申请人还对实施例1、实施例2和实施例3中的相变储能木材进行差示扫描量热仪(DSC)分析和热重分析仪(TG)分析，图3是经过100次的冷热循环后的差示扫描量热仪(DSC)曲线图，图4是热重分析仪(TG)曲线图，从图3中可以看出相变储能木材的相变温度范围为25-29℃，适用于室内温度调节，说明本发明实用性非常强。从图4中可以看出相变储能木材在热重分析试验下(热重分析(Thermogravimetric Analysis，TG或TGA)是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组分)共有4个较为明显的失重阶段，第一个阶段为相变储能木材中水分的蒸发，第二个阶段为木材中相变储能微胶囊的破损及芯材的蒸发，第三个阶段为木材中的纤维素的分解，第四个阶段较不明显，主要是相变储能微胶囊壁材和木材残余木质素的分解。本发明制备的相变储能木材在100℃以下失重仅为4.5wt％，表明其在常温条件下具有优异的热稳定性。
申请人对实施例1、实施例2和实施例3中制得的相变储能木材进行100次的冷热循环，然后通过差示扫描量热仪(DSC)监测相变储能木材的起始温度、峰值温度和热焓值，其结果如表1所示，变化不大，表明相变储能木材具有比较好的循环耐久性。
表1
从表1中可以看出，经过100次的冷热循环后，本发明的相变储能木材的起始温度、峰值温度和热焓值变化不大，表明相变储能木材具有比较好的循环耐久性。而且实施例3中的起始温度、峰值温度和热焓值的变化程度相对于实施例1和实施例2来说都要小，说明实施例3中的通过硅酸钠溶液浸渍后的储能木材更加具有良好的稳定性和耐久性。这是因为由于硅酸钠具有粘合力，在木材浸渍在硅酸钠溶液中后会吸附硅酸钠，然后通过其粘合力将相变储能微胶囊强力的吸附在木材内，并通过后续的干燥过程使其固化，固化后的硅酸钠能贴合至毛细孔通道的表面，使得被硅酸钠所捕捉的相变储能微胶囊具有强力的抗流失性，从而最终的提高变储能木材的稳定性和耐久性。并且由于硅酸钠固化的作用，可以提高储能木材的密度和强度，增强了储能木材的抗风化能力，大大地提高了储能木材的使用寿命。

Claims (5)

1.一种相变储能木材的制备方法，其特征在于：按下述步骤进行：
a、将木材放入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液中，再将溶液煮沸保持12-48h，直至溶液颜色不发生变化；
b、将煮好的木材放入去离子水中再次煮沸4-10h，中间更换去离子水，维持去离子水的pH为6-8；
c、将去离子水中的木材捞出，放入浓度为90-100％的乙醇溶液中2-6h；
d、再将木材浸渍在固含量为15-40％的相变微胶囊乳液中，在真空度为0.05-0.2MPa的条件下浸渍0.5-2h；浸渍的同时，朝木材的横向面施加500MHz-600MHz的微波辐射，朝木材的纵向面施加400MHz-500MHz的微波辐射；
e、取出浸渍好的木材后在温度为25-40℃下干燥72-120h，得到相变储能木材。
2.根据权利要求2所述的相变储能木材的制备方法，其特征在于：按下述步骤进行：
a、将木材放入氢氧化钠和亚硫酸钠混合溶液中，再将溶液煮沸保持12-48h，直至溶液颜色不发生变化；
b、将煮好的木材放入去离子水中再次煮沸的4-10h，中间更换多次去离子水，维持去离子水的pH为7；
c、将去离子水中的木材捞出，放入浓度为95％的乙醇溶液中3h；
d、再将木材浸渍在固含量为30％的相变微胶囊乳液中，在真空度为0.1MPa的条件下浸渍1h；浸渍的同时，朝木材的横向面施加550MHz的微波辐射，朝木材的纵向面施加450MHz的微波辐射；
e、取出浸渍好的木材后在温度为35℃下干燥96h，得到相变储能木材。
3.根据权利要求1或2所述的相变储能木材的制备方法，其特征在于：所述的步骤a中，所述的氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中氢氧化钠的浓度为2.2-3.0mol/L，质量占比为15-50％；所述的氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中亚硫酸钠的浓度为0.2-0.8mol/L，质量占比为10-50％。
4.根据权利要求1或2所述的相变储能木材的制备方法，其特征在于：所述步骤d中，真空浸渍期间每隔10-20min解除真空一次，恢复常压后再次抽真空进行浸渍。
5.根据权利要求1或2所述的相变储能木材的制备方法，其特征在于：步骤c中浸渍后的木材还放入质量百分浓度为45-60％的硅酸钠溶液浸渍0.5-1h。
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