CN111320969A - 相变蓄冷复合物及其制备方法 - Google Patents

相变蓄冷复合物及其制备方法 Download PDF

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张建祥
刘学永
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Abstract

本发明涉及一种相变蓄冷复合物及其制备方法。所述相变蓄冷复合物包括十水硫酸钠、成核剂、增稠剂和温度调节剂；以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述成核剂、所述增稠剂和所述温度调节剂的质量份数分别为0.5‑5份、0.5‑5份和10‑20份；其中，所述相变蓄冷复合物还包括碳纳米材料，以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述碳纳米材料的质量份数为1‑5份。本发明通过对相变蓄冷复合材料进行配方设计优化，使复合材料具有安全无毒、生产成本低、过冷度小、蓄冷密度大、材料稳定性好的特点，并能够应用于空调的相变蓄冷***等需要4～8℃的使用场景中。

Description

相变蓄冷复合物及其制备方法
技术领域
本发明属于相变蓄冷材料领域，具体地，涉及一种相变蓄冷复合物及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国电力供应日益紧张，夏季城市电网供需矛盾尤为突出。蓄冷技术作为电力负荷管理策略的一项重要技术手段应用于空调***，可以起到移峰平谷，平衡电力负荷的作用。目前常用的蓄冷介质包括水、冰、共晶盐和气体水合物。对于水蓄冷***，占用空间体积庞大；冰蓄冷***由于蒸发温度下降，制冰效率也随之降低；气体水合物由于存在制冷剂蒸汽夹带水分，水合物膨胀堵塞等问题，距离工程实用还有一定的距离。共晶盐具有相变温度高，蓄冷密度大等优点，在工程应用中发挥着极其大的节能效益，能够实现能源利用和环境保护的双重目的。
在共晶盐蓄冷材料中，Na2SO4·10H2O来源广泛，价格低廉，且目前在建筑节能、太阳能蓄热领域已有广泛应用。据文献报道，目前应用于空调蓄冷的熔点在4-8℃范围的相变材料，大多数由Na2SO4·10H2O添加其他控制熔点的盐类组成。尽管对Na2SO4·10H2O相变蓄冷材料的研究很多，但就材料的相分离、相变控温、稳定性及导热性等方面仍有不足，仍有提升的必要。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种相变蓄冷复合物及其制备方法，该相变蓄冷复合物具有安全无毒、生产成本低、过冷度小、蓄冷密度大、材料稳定性好的特点，可应用于空调的相变蓄冷***等需要4～8℃的使用场景中。
为达到上述目的，一方面，本发明的实施例提供了一种相变蓄冷复合物，其包括十水硫酸钠、成核剂、增稠剂和温度调节剂；以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述成核剂、所述增稠剂和所述温度调节剂的质量份数分别为0.5-5份、0.5-5份和10-20份；其中，所述相变蓄冷复合物还包括碳纳米材料，以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述碳纳米材料的质量份数为1-5份。
所述十水硫酸钠为基础相变材料。所述成核剂用于减小相变蓄冷复合物的过冷度，其优选为硼砂。所述增稠剂用于抑制相变蓄冷复合物发生相分离，其优选为羧甲基纤维素钠。所述温度调节剂为氯化钾和氯化铵的混合物，其中氯化钾和氯化铵的质量比例为1:1～1:10；所述温度调节剂的添加有利于控制相变蓄冷复合物的相变温度。
可选地，所述碳纳米材料包括石墨烯纳米片和/或碳纳米管。优选地，所述石墨烯纳米片厚度为1-10层、片径为0.5-10微米；所述碳纳米管管径为2-25纳米、管长为3-20微米。
可选地，根据本发明的相变蓄冷复合物还包括磷酸二氢钠，以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述磷酸二氢钠的质量份数为0.5-5份。加入磷酸二氢钠，可调节材料pH值、防止铵组分的分解挥发、提高产品的稳定性；并且相较于常规的硼酸，磷酸二氢钠作为pH调节剂具有更高的安全性。
可选地，根据本发明的相变蓄冷复合物还包括硫酸铵，以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述硫酸铵的质量份数为1-5份。硫酸铵的加入在一定程度上有助于提高材料的相变潜热。
可选地，根据本发明的相变蓄冷复合物的过冷度小于1℃、和/或相变温度为4.0-8.0℃、和/或相变潜热为140-168J/g。根据本发明的相变蓄冷复合物的导热性能相对于未添加碳纳米材料的相变蓄冷材料提升明显。
特别地，根据本发明的相变蓄冷复合物可应用于需要4～8℃的使用场景中，例如，空调的相变蓄冷***等。
在本发明的相变蓄冷复合物中，碳纳米材料可起到导热填料、成核剂和增稠剂的作用。碳纳米材料由于具有良好的导热性，在相变***中加入可大幅提升产品的导热性能，实现快速蓄冷放冷的效果。此外，碳纳米材料作为纳米材料，可均匀分散在相变体系中，防止共晶盐在相变过程中发生沉降，起到悬浮剂的作用；由于碳纳米材料均匀分散在相变蓄冷材料体系中，在降温相变过程，碳纳米材料为十水硫酸钠提供更多的结晶位点，可进一步降低相变蓄冷材料的过冷度。
此外，磷酸二氢钠可以作为pH调节剂而加入到根据本申请的相变蓄冷复合物中，以替代现有技术中的硼酸，从而增加产品安全性。
另一方面，本发明提供了一种用于制备前述相变蓄冷复合物的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将十水硫酸钠、成核剂、温度调节剂以及可选的磷酸二氢钠和/或硫酸铵按质量比例混合均匀，得到混合物；
(2)将所述混合物加热，以使所述混合物熔融；
(3)待所述混合物完全熔融后，在搅拌的条件下，向所述混合物中加入增稠剂及碳纳米材料；和
(4)经一定的搅拌时间后冷却，获得所述相变蓄冷复合物。
可选地，所述步骤2)中，所述混合物在40-60℃的温度下被加热。
可选地，所述步骤4)中的所述搅拌时间为0.5h。
本发明以十水硫酸钠为原料来制备复合相变蓄冷材料，原材料廉价易得，大大降低了生产成本。在根据本发明的相变蓄冷复合物中，碳纳米材料不仅可作为导热填料，提高相变复合材料的导热性能，缩短蓄冷放冷时间；还可起到成核剂和增稠剂/悬浮剂的作用，降低产品过冷度，并防止相变蓄冷材料发生相分层现象。因此，所制备的相变蓄冷复合物相变温度适宜，相变潜热较大，无过冷度和相分离现象，稳定性高，适用于蓄冷空调***及冷链运输。此外，通过优化调整相变蓄冷材料的制备工艺，获得了具有上述优点的相变蓄冷复合物，该相变蓄冷复合物的熔点在4～8℃范围内。
另外，本发明还提供了碳纳米材料和磷酸二氢钠在制备相变蓄冷复合物中的用途。
附图说明
图1是本发明实施例2中相变蓄冷复合材料降温过程温度随时间的变化曲线图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
采用以下设备，对各实施例中所得的相变蓄冷复合物进行性能测试：
-通过无纸记录仪(型号OHR-F802-X-X-A，顺昌虹润，中国)采集试样在熔融和冷却过程温度随时间的变化的信息，观察过冷度和储放热时间；
-通过差示扫描量热仪(型号TA Q20，沃特斯，美国)测试试样的相变温度和相变潜热。
另外，本发明还采用了统计将相变蓄冷复合物从室温降温至-5℃所需时间的方法，来表征相变蓄冷复合物的导热性能。由于材料的导热性能越好，材料的降温速率越快，因此材料从室温降低到-5℃所需的时间越短。可以采用各种方法来完成该降温过程，例如将相变蓄冷复合物在室温条件下放入温度恒定在-5℃的设备中。降温时间为相变蓄冷材料从进入-5℃的环境开始到其温度降低至-5℃所经历的时间。
以下各示例中所使用试剂均为分析纯，优选国药、阿拉丁或麦克林。石墨烯纳米片或碳纳米管等碳纳米材料为本实验室制备材料。石墨烯纳米片的厚度为1-10层，片径(即，直径)为0.5-10微米；而碳纳米管的管径(即，直径)为2-25纳米，管长为3-20微米。
实施例1：
分别称取100g十水硫酸钠，0.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为3℃，平均相变温度为5.3℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为44min。相变潜热为160J/g，未出现明显分层现象。
实施例2：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.3℃，平均相变温度为5.1℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为43min(如图1所示)。相变潜热为162J/g，未出现明显分层现象；对复合物进行10次储冷放冷实验后，材料相变潜热为160J/g，材料稳定性相对较好。
实施例3：
分别称取100g十水硫酸钠，5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.2℃，平均相变温度为5.5℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为47min。相变潜热为140J/g，未出现明显分层现象。
实施例1～3表明，在一定范围内，随着硼砂添加量的增多，相变蓄冷复合物的过冷度明显减小。
实施例4：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，5g氯化钾，5g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.2℃，平均相变温度为7.3℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为50min。相变潜热为140J/g，未出现明显分层现象。
实施例5：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，10g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.3℃，平均相变温度为6.8℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为41min。相变潜热为145J/g，未出现明显分层现象。
实施例6：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，3g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.4℃，平均相变温度为5℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为45min。相变潜热为168J/g，未出现明显分层现象。
实施例7：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，5g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.5℃，平均相变温度为5.2℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为45min。相变潜热为165J/g，未出现明显分层现象。
实施例8：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入0.5g羧甲基纤维素钠及3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.6℃，平均相变温度为5.5℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为45min。相变潜热为163J/g，相变蓄冷复合物黏度变小，轻微相分离。
与其他实施例相比，该实施例中的羧甲基纤维素钠含量较少，这使得羧甲基纤维素钠对相变蓄冷复合物发生相分离的抑制作用较为有限，从而使得相变蓄冷复合物发生了轻微的相分离。
实施例9：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入5g羧甲基纤维素钠及3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.8℃，平均相变温度为5.2℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为60min。相变潜热为165J/g，不存在相分离。
实施例10：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及1g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.3℃，平均相变温度为5.5℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为52min。相变潜热为158J/g，未出现明显分层现象。
实施例11：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及5g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.4℃，平均相变温度为5.4℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为35min。相变潜热为140J/g，未出现明显分层现象。
实施例12：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并依次加入1g羧甲基纤维素钠及5g缠绕碳纳米管，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.3℃，平均相变温度为5.1℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为53min。相变潜热为152J/g，未出现明显分层现象。
为充分体现本申请技术方案的有益效果，本说明书还提供了不含碳纳米材料、以及不含磷酸二氢钠的对比例，来说明碳纳米材料和磷酸二氢钠在所制得的相变蓄冷复合物中所起到的作用。
对比例1：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵，2g磷酸二氢钠并混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并加入1g羧甲基纤维素钠，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.6℃，平均相变温度为5.3℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为80min。相变潜热为165J/g，未出现明显分层现象。
与实施例2、10-12的结果相比可以明显看出，该对比例中的相变蓄冷复合物从室温降温至-5℃所需时间显著增多，这表明了相对于未添加碳纳米材料的相变蓄冷复合物，添加了碳纳米材料的相变蓄冷复合物的导热性能提升明显。
对比例2：
分别称取100g十水硫酸钠，1.5g硼砂，2g氯化钾，16g氯化铵，1g硫酸铵按比例混合均匀，加入到反应容器中，设置反应器温度为40-60℃。待混合物料完全熔融后，开启反应器搅拌，并加入3g石墨烯纳米片，继续搅拌30min，然后冷却制得相变蓄冷复合物。
本实施例相变蓄冷复合物的过冷度为0.4℃，平均相变温度为5.1℃；该复合物从室温降温至-5℃所需时间为45min。相变潜热为163J/g，未出现明显分层现象；对复合物进行10次储冷放冷实验后，材料相变潜热为69J/g，性能衰减较快，材料稳定性差。
该对比例的结果与实施例2的结果相比表明了：在未添加羧甲基纤维素钠的情况下，相变蓄冷复合物的稳定性不足。此外，对比例1和2的结果比较也进一步表明了碳纳米材料对相变蓄冷复合物导热性能的提升作用。
根据本发明提供的相变蓄冷复合物中，硼砂作为成核剂，降低了十水硫酸钠相变材料的过冷度，通过加入合适比例的成核剂将材料过冷度控制在1℃以下；氯化钾、氯化铵为温度调节剂，二者搭配使用更好地调控了相变过程相变温度；硫酸铵在一定程度上有助于提高材料的相变潜热。碳纳米材料由于具有良好的导热性，在相变***中加入可大幅提升产品的导热性能，实现快速蓄冷放冷的效果。通过加入磷酸二氢钠调节材料pH值，防止铵组分的分解挥发，提高产品的稳定性，并相较于常规的硼酸作为pH调节剂具有一定的安全性。

Claims (10)

1.一种相变蓄冷复合物，其包括十水硫酸钠、成核剂、增稠剂和温度调节剂；以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述成核剂、所述增稠剂和所述温度调节剂的质量份数分别为0.5-5份、0.5-5份和10-20份；所述成核剂优选为硼砂；所述增稠剂优选为羧甲基纤维素钠；所述温度调节剂为氯化钾和氯化铵的混合物，所述氯化钾和所述氯化铵的质量比例为1:1～1:10；其中，所述相变蓄冷复合物还包括碳纳米材料，以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述碳纳米材料的质量份数为1-5份。
2.根据权利要求1所述的相变蓄冷复合物，其中，所述碳纳米材料包括石墨烯纳米片和/或碳纳米管；优选地，所述石墨烯纳米片的厚度为1-10层、片径为0.5-10微米，所述碳纳米管的管径为2-25纳米、管长为3-20微米。
3.根据权利要求1或2所述的相变蓄冷复合物，其还包括磷酸二氢钠，以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述磷酸二氢钠的质量份数为0.5-5份。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的相变蓄冷复合物，其还包括硫酸铵，以所述十水硫酸钠的质量份数为100份计，所述硫酸铵的质量份数为1-5份。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的相变蓄冷复合物，其中，所述相变蓄冷复合物的过冷度小于1℃、和/或相变温度为4.0-8.0℃、和/或相变潜热为140-168J/g。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的相变蓄冷复合物，其中，所述相变蓄冷复合物应用于空调的相变蓄冷***等需要4～8℃的使用场景中。
7.一种用于制备根据权利要求1-6中任一项所述的相变蓄冷复合物的方法，所述方法包括以下步骤：
1)将十水硫酸钠、成核剂、温度调节剂以及可选的磷酸二氢钠和/或硫酸铵按质量比例混合均匀，得到混合物；
2)将所述混合物加热，以使所述混合物熔融；
3)待所述混合物完全熔融后，在搅拌的条件下，向所述混合物中加入增稠剂及碳纳米材料；和
4)经一定的搅拌时间后冷却，获得所述相变蓄冷复合物。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述步骤2)中所述混合物在40-60℃的温度下被加热；和/或所述步骤4)中的所述搅拌时间为0.5h。
9.碳纳米材料在制备根据权利要求1-6中任一项所述的相变蓄冷复合物中的用途。
10.磷酸二氢钠在制备根据权利要求1-6中任一项所述的相变蓄冷复合物中的用途。
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