CN111434746A - 一种填充磷石膏的相变储能材料、相变储能板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种填充磷石膏的相变储能材料、相变储能板及其制备方法，属于建筑材料技术领域。其中，本发明的填充磷石膏的相变储能材料包括磷石膏20‑75重量份、无机相变材料5‑38重量份、膨胀石墨2‑25重量份、柠檬酸0‑1重量份、聚丙烯纤维0‑3重量份、减水剂0.1‑3重量份、水20‑85重量份，在达到相变温度时发生相态的改变，能够在温度基本保持不变的情况下实现储热或放热，减小室内温度的波动，提高人居舒适度。本发明通过调整相变储能材料的组分与配比；采用灌装成型的方式制备得到填充磷石膏的相变储能板，能够降低相变材料的渗透率，提高相变热的利用率，延长了相变储能板的使用耐久性。

Description

一种填充磷石膏的相变储能材料、相变储能板及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种填充磷石膏的相变储能材料、相变储能板及其制备方法。

背景技术

在国务院批准的《节能中长期专项规划》中，建筑节能已被列为节能的重点领域。而墙体内外保温技术在节约能源方面只能够起到杯水车薪的作用，由于保温材料一般比热容较低，几乎不能将太阳能或者热能储存起来，因此不能够大幅度减少能量的消耗。将建筑材料和相变材料复合，相比普通建筑保温材料而言，具有更高的热容量与热惯性。当相变物质所处微环境温度低于相变点时，相变物质由液态凝结为固态，形成放热；当相变物质所处微环境温度高于相变点时，相变物质由固态熔化为液态，形成吸热。将间歇性的能量存储，提高建筑物储热效率，以高密度、稳定的形式输出。通过这种能量的储放，可以在很大程度上缓解能源在时间和空间上的供求失衡，大大地提高能源的利用率。并且相变材料可以多次重复使用，将其应用于建筑节能领域不但可以提高墙体的保温能力，还可以节省采暖能耗，是相变储能可以利用的一个有效途径。

磷石膏长期以来被认为是固体废渣，中国磷石膏堆积量已超过3亿吨，利用率极低，在土地合理利用、环境保护及资源循环利用的巨大压力下，加快磷石膏资源的开发和利用途径的研究已刻不容缓。

专利公开号为CN102659377A的申请揭示了一种利用磷石膏制备保温节能复合相变储能石膏板及其制备方法，通过磷石膏及其它助剂与石蜡-高密度聚乙烯定形相变储能材料混合制成相变储能石膏板，该专利工艺简单，可以达到保温节能的目的。但是该申请中使用的相变储能材料为石蜡高分子定形相变材料，相变材料和支撑材料均为有机材料，导热系数低，降低了换热效率，，而且多数有机材料易燃，并在燃烧过程中释放有毒烟雾，用于建筑材料必须考虑使用燃点高的封装材料对相变材料进行封装或掺阻燃剂等。

专利公开号为CN10832001A的申请揭示了一种具有储能、隔热、自动调节室内温度的装饰用板材，该发明是将相变材料填充到铝蜂窝板内，再将面板、底板与蜂窝芯层之间密封粘合，发明中面板可选用铝板、不锈钢板、彩钢板或石材板。利用金属蜂窝芯层及面板的高导热性，提高相变热的利用效率。但是此种方法加大了施工工艺的复杂程度。

所以，将相变储能物质应用于建筑材料，不仅应致力于解决目前普遍存在的相变材料易渗漏、导热系数低的问题，同时还要考虑耐久性及工艺的可行性问题。通过对材料进行复配、封装等找到适宜的解决方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种填充磷石膏的相变储能材料通过调整相变储能材料的组分与配比；采用灌装成型的方式制备得到填充磷石膏的相变储能板，能够降低相变材料的渗透率，提高相变热的利用率，延长了相变储能板的使用耐久性。

根据本发明的一个方面，提供一种填充磷石膏的相变储能材料，包括以下组分：

其中，无机相变材料为无机水合盐。

可选择地，包括以下组分：

无机水合盐为Na₂SO₄·10H₂O、CaCl₂·6H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O中的一种或几种。

可选择地，包括以下组分：

可选择地，膨胀石墨为孔径分布100nm以下的膨胀石墨。

根据本发明的另一个方面，提供一种填充磷石膏的相变储能材料灌注的相变储能板，储能板包括基板、设置于基板两个端部的端部封堵结构件以及设置于基板的上表面的饰面层，基板为多孔结构，多孔结构包括沿着基板的纵向方向贯穿基板的通孔，通孔内设置有如权利要求1-4中任一项相变储能材料。

可选择地，基板中的通孔分组设置，每组通孔包括至少五个通孔。

可选择地，基板的开孔率为65％以上。

可选择地，基板中的通孔的横截面为长方形，长方形的长为1.6-2.0cm，长方形的宽为0.8-1.0cm。

可选择地，两个端部的端部封堵结构件为磷石膏。

根据本发明的又一个方面，提供一种填充磷石膏的相变储能板的制备方法，包括以下步骤：

S1封装基板的一端，保留基板的一端开口；

S2称取5-38重量份的无机相变材料加热熔化、称取2-25重量份的膨胀石墨与无机相变材料混合，以每秒一圈的速度搅拌3-5分钟，再冷却至室温得到固体混合粉末；

S3称取0-1重量份柠檬酸、0-3重量份聚丙烯纤维、0.1-3重量份减水剂，将称取的柠檬酸、聚丙烯纤维、减水剂加入到步骤S2的固体混合粉末中，每秒一圈的速度搅拌5-6分钟搅拌得到复合相变材料；

S4将步骤S3制备得到的复合相变材料分散到20-85重量份水中，加入20-75重量份磷石膏粉配制成浆料，静置1-3分钟后，用搅拌棒以1-1.5秒每圈的转速搅拌30-60秒，减缓搅拌速度持续搅拌至料浆稠化；

S5将步骤S4搅拌至稠化的浆料通过基板的开口一端灌入基板中，振动基板以排出浆料中的气泡；

S6封堵基板的另一端开口；

S7将步骤S6的封堵后的基板置于干燥环境中养护12-24小时后得到填充磷石膏的相变储能板，养护温度设定为40-60摄氏度。

本发明的填充磷石膏的相变储能材料，主要包括以下组分，各组分的含量为：磷石膏20-75重量份、无机相变材料5-38重量份、膨胀石墨2-25重量份、柠檬酸0-1重量份、聚丙烯纤维0-3重量份、减水剂0.1-3重量份、水20-85重量份。

优选地，各组分的含量为：磷石膏30-70重量份、无机相变材料10-35重量份、膨胀石墨5-22重量份、柠檬酸0.1-0.8重量份、聚丙烯纤维0.5-2.5重量份、减水剂0.2-2.8重量份、水25-82重量份。膨胀石墨作为本发明的相变储能材料的主要填充组分之一，具有丰富的微孔结构，对水合无机盐具有良好的吸附性能，能提高复合相变材料的储能密度。

无机相变材料作为本发明中的相变储能材料的主要填充组分之一，能够吸附在膨胀石墨的微孔中，在发生固-液相变时，由于毛细作用力和表面张力的作用，液态的相变材料很难从微孔中脱附出来，因此无机相变材料/膨胀石墨复合相变储热材料作为建筑材料的组分制备出的储热建材，不容易出现渗漏的现象，同时膨胀石墨具有高的导热系数，使得制备出的储热建材在储、放热过程中传热性能好。

本发明中将相变材料和膨胀石墨按一定配比混合，如果膨胀石墨添加量过少，相变材料不能被完全吸附混合，经过多次热循环后出现相变材料渗漏的可能性提高；如果膨胀石墨比例超过一定量时，膨胀石墨已经是散体，稍加外力便有很大体积的压缩，但导热系数变化不大。发明人发现将5-38重量份的无机相变材料与2-25重量份的膨胀石墨混合制备得到的相变储能材料导热系数更高，即使长期使用多次热循环也不会出现相变材料渗漏的情况。

磷石膏作为本发明中的相变储能材料的主要组分之一，利用磷石膏作为胶凝材料，将相变材料固化有利于材料灌装，还可以实现固废的循环利用，磷石膏的加入量也要视相变材料掺入量，相变材料掺入量多则相变潜热大，有利于相变储能板更好的蓄热，但是相变材料与磷石膏的比例超过一定程度石膏和相变材料浆体的和易性下降较大，拌合困难。发明人发现，相变储能材料中添加磷石膏20-75重量份时，制得的相变储能板具有良好的保温性能，同时相变材料与磷石膏的和易性优良便于向基板内灌装，更优选的，本发明中的相变储能材料中磷石膏的含量为30-70重量份。

减水剂选择萘系减水剂FDN，在不减少标准稠度用水的前提下，可以有效改善流动性，从而可显著增加相变材料掺量，进一步提高制备得到的相变储能板的储热量。

本发明的相变储能板选用开孔率65％以上的多孔板作为基板，其中，开孔率为基板上基板的总面积与开孔区面积的比值。优选地，基板的开孔率为65％-85％。在此条件下，不仅能保证基板的强度也便于向基板内注入浆料，同时充分利用了基板内部空间，向基板内注入更多浆料，能够进一步提高基板的保温能力。

本发明的相变储能板的制备过程中，先分别将无机相变材料与膨胀石墨按比例称量好，然后将无机相变材料加热融化，将称好的膨胀石墨加入到融化的相变材料中并搅拌分散，冷却至室温后再加入柠檬酸、聚丙烯纤维、减水剂，最后将上述固体混合粉末分散到水中，最后加入磷石膏。先将相变材料融化成液态再加入膨胀石墨以保证相变材料被膨胀石墨吸附完全。冷却至室温后相变材料固化在膨胀石墨的孔隙中得到固体粉末态的复合相变材料。由于石膏凝结时间短，为便于操作最后加入磷石膏，否则会出现石膏凝结不容易灌入石塑基板中。

下面是本发明的填充磷石膏的相变储能板的制备方法的优选示例：

步骤1：采用磷石膏加水对石塑板孔的一端进行封端。

步骤2：称量相变材料20重量份，将盛有相变材料的容器置于60度恒温水浴锅内使其完全融化成液态，加入膨胀石墨10重量份，搅拌均匀，再将容器置于真空干燥箱中吸附4小时，取出自然冷却至室温

步骤3：称量柠檬酸0.1重量份，聚丙烯纤维0.6重量份，减水剂0.6重量份，加入步骤2制得的固体粉末中。

步骤4：将步骤2-3中的固体原料机械搅拌均匀。

步骤5：先量取所需水倒入搅拌锅中，加入步骤2-4制备的复合相变材料，用搅拌棒进行搅拌，使其在水中尽量分散，然后加入65重量份磷石膏粉，静置1分钟后用拌和棒以每秒一圈的速度搅拌30秒，接着慢慢搅拌至料浆开始稠化(即当料浆从勺子上慢慢落到浆体表面刚能形成一个圆锥为止)。

步骤6：一边慢慢搅拌一边把浆体灌入多孔石塑板中，适当进行振动，以排出气泡。

步骤7：对石塑板上孔的另一端进行封堵。

步骤8：将上述灌入相变材料的多孔板放入烘箱进行养护，养护温度为50℃，养护时间为24h。

步骤9：采用环保节能的紫外光固化和转印技术对石塑板进行饰面处理。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的填充磷石膏的相变储能材料，相变材料在达到相变温度时发生相态的改变，能够在温度基本保持不变的情况下实现储热或放热，减小室内温度的波动，提高人居舒适度。

2、本发明的填充磷石膏的相变储能板是一种满足目前装配式装修的调温装饰一体化建材制品，绿色环保、蓄能密度大、相变热利用率高、有效封装、高强耐磨、锁扣设计、安装便捷，成本较低等特点。

3、本发明的填充磷石膏的相变储能板能够用于室内装修或与空调、散热器等制冷、制热设备结合，循环利用室内的能量，减小室内温度波动，打造温度适宜、舒适度高的人居环境。

4、本发明的填充磷石膏的相变储能能移峰填谷，缓解电网负荷，还能节约用户运行费用和降低空调***或采暖***的规模和相应的投资费用，达到节能环保的目的。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例中制备填充磷石膏的相变储能板的工艺流程图。

图2是本发明实施例中制备的填充磷石膏的相变储能板的结构示意图。

图3是本发明实施例中制备的填充磷石膏的相变储能板的侧面剖视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征向量可以相互任意组合。

如图1所示，一种填充磷石膏的相变储能板的制备方法，包括封端、灌装、封端、饰面，具体包括以下步骤：

S1封装基板的一端，保留基板的一端开口。优选地，基板为多孔石塑板。

S2称取5-38重量份的无机相变材料、将盛有相变材料的容器置于60度恒温水浴锅内使其完全融化成液态，加入膨胀石墨2-25重量份，以每秒一圈的速度搅拌3-5分钟，再将容器置于真空干燥箱中吸附4小时，取出自然冷却至室温，得到固体混合粉末。

S3称取0-1重量份柠檬酸、0-3重量份聚丙烯纤维、0.1-3重量份减水剂，将称取的柠檬酸、聚丙烯纤维、减水剂加入到步骤S2的固体混合粉末中，以每秒一圈的速度搅拌5-6分钟，搅拌得到复合相变材料。

S4将步骤S3制备得到的复合相变材料分散到20-85重量份水中，加入20-75重量份磷石膏粉配制成浆料，静置1-3分钟后，用搅拌棒以1-1.5秒每圈的转速搅拌30-60秒，优选地，静置3分钟后，用搅拌棒以1秒每圈的转速搅拌浆料约60秒，减缓搅拌速度持续搅拌至料浆稠化，当料浆从勺子上慢慢落到浆体表面刚能形成一个圆锥为止，停止搅拌。

S5将步骤S4搅拌至稠化的浆料通过基板的开口一端灌入基板中，灌入过程中，持续轻振基板以排出浆料中的气泡直到浆料灌满基板为止。

S6封堵基板的另一端开口。

S7将步骤S6的封堵后的基板置于干燥环境中养护12-24小时后得到填充磷石膏的相变储能板，养护温度设定为40-60摄氏度。优选地，养护过程在烘干箱中进行，烘干温度设定为45～55摄氏度，烘干时间设定为15-24小时。

S8打磨基板表面，去除基板表面的浮尘，采用环保节能的紫外光固化和转印技术对石塑板进行饰面处理。

如图2、3所示，本发明制备得到的填充磷石膏的相变储能板包括基板、以及设置于基板的上表面的饰面层，基板为多孔结构，多孔结构包括沿着基板的纵向方向贯穿基板的通孔，通孔内设置有相变储能材料，通孔两端设置有端部封堵结构件。基板中的通孔分组设置，每组通孔包括至少五个通孔。基板的开孔率为65％以上。优选地，基板的侧面的开孔率为68％-85％，在此条件下，方便向基板内注入浆料。基板中的通孔为边缘圆滑的长形孔，长形孔的长度为1.6-2.0cm，宽度为0.8-1.0cm。其中，基板的通孔形状不限于长形孔，通孔形状及大小根据基板的强度及导热性设计，可以为方形孔、圆形孔或不规则孔。

下面列出填充磷石膏的相变储能板的具体实施例：

实施例

表1示出了本发明填充磷石膏的相变储能材料中各组分具体含量的部分实施例。需要指出的是，本发明的填充磷石膏的相变储能材料各组分具体含量并不局限于表1中数据，水按实际水膏比计量加入。

表1 填充磷石膏的相变储能材料组分含量实施例

对比测试例

对实施例1-5制品的性能进行了热能测试。将制品垂直放置于实验台上，对制品的一侧用箱式加热法提供热流持续给予热流1小时然后停止热流三个小时，制品另一侧即低温侧用多点热流计测试温度和热流。同时针对现有技术中的相变储能板性能数据进行了对比，具体如表2所示。

表2 性能测试及对比结果

对比例1中的相变储能板是按照夹层法制备的、两面为普通石膏板，中间夹层为相变材料层；

对比例2中的相变储能板是直接将相变材料混入石膏中制备的相变储能石膏板。

对比例1、2中选用的相变材料为有机相变材料，对比例样品厚度与实施例相同。

根据表1和表2可以看出，本发明的相变储能板通过改良相变储能材料的组分及其配比，配制出蓄热能力更好的相变储能材料，能够在温度基本保持不变的情况下实现储热或放热，减小室内温度的波动，将相变储能材料灌注到基板中制成的相变储能板蓄能密度大、相变热利用率高，而且工艺简单，易于实施。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种填充磷石膏的相变储能材料，其特征在于，包括以下组分：

其中，所述无机相变材料为无机水合盐。

2.如权利要求1所述的填充磷石膏的相变储能材料，其特征在于，包括以下组分：

所述无机水合盐为Na₂SO₄·10H₂O、CaCl₂·6H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O中的一种或几种。

3.如权利要求2所述的填充磷石膏的相变储能材料，其特征在于，包括以下组分：

4.如权利要求1所述的填充磷石膏的相变储能材料，其特征在于，所述膨胀石墨为孔径分布100nm以下的膨胀石墨。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的填充磷石膏的相变储能材料灌注的相变储能板，其特征在于，所述储能板包括基板、设置于所述基板两个端部的端部封堵结构件以及设置于所述基板的上表面的饰面层，所述基板为多孔结构，所述多孔结构包括沿着所述基板的纵向方向贯穿所述基板的通孔，所述通孔内设置有如权利要求1-4中任一项所述的相变储能材料。

6.如权利要求5所述的相变储能板，其特征在于，所述基板中的通孔分组设置，每组通孔包括至少五个通孔。

7.如权利要求5所述的相变储能板，其特征在于，所述基板的开孔率为65％以上。

8.如权利要求5所述的相变储能板，其特征在于，所述基板中的通孔的横截面为长方形，所述长方形的长为1.6-2.0cm，所述长方形的宽为0.8-1.0cm。

9.如权利要求5所述的相变储能板，其特征在于，两个端部的所述端部封堵结构件为磷石膏。

10.一种如权利要求5-9中任一项所述的填充磷石膏的相变储能板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1封装所述基板的一端，保留所述基板的另一端开口；

S2称取5-38重量份的无机相变材料加热熔化、称取2-25重量份的膨胀石墨与无机相变材料混合，以每秒一圈的速度搅拌3-5分钟，再冷却至室温得到固体混合粉末；

S3称取0-1重量份柠檬酸、0-3重量份聚丙烯纤维、0.1-3重量份减水剂，将称取的柠檬酸、聚丙烯纤维、减水剂加入到步骤S2的固体混合粉末中，每秒一圈的速度搅拌5-6分钟搅拌得到复合相变材料；

S4将步骤S3制备得到的复合相变材料分散到20-85重量份水中，加入20-75重量份磷石膏粉配制成浆料，静置1-3分钟后，用搅拌棒以1-1.5秒每圈的转速搅拌30-60秒，减缓搅拌速度持续搅拌至料浆稠化；

S5将步骤S4搅拌至稠化的浆料通过所述基板的开口一端灌入所述基板中，振动所述基板以排出浆料中的气泡；

S6封堵所述基板的另一端开口；

S7将步骤S6的封堵后的基板置于干燥环境中养护12-24小时后得到填充磷石膏的相变储能板，养护温度设定为40-60摄氏度。

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