一种无过冷的中温相变蓄热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及相变储能技术领域，尤其涉及一种无过冷的中温相变蓄热材料及其制备方法。

背景技术

相变储热技术因其储热容量大、储热放热过程中温度恒定等优势具广泛的应用前景，相变材料是相变储热技术的载体，在应用的过程中，要求用于储热的相变材料相变温度与应用所需的温度相一致，以保证能源的高效利用，相变材料按其工作过程中的材料相态转变的基本形式可分为固-气、液—气、固-固和固-液相变材料四类；其中固-液相变材料利用物质的相态变化进行蓄热与放热，当外界温度高于相变材料的相变温度时，材料发生相态变化吸收热量并存储；当外界温度低于相变温度时，材料放出自身存储的能量；固-液相变过程中，物质的相变焓较大而体积变化不大，同时其相变过程缓和且易于控制；固-液相变材料从化学组成可分为有机和无机相变材料；有机固-液相变材料主要包括石蜡、醇类、脂肪酸剂其酯类等，无机固-液相变材料主要包括结晶水合盐、熔融与金属(合金)等；固-液相变材料按其工作温度范围可分为低温、中温和高温相变材料；在中温相变蓄热材料中，含有结晶水的水合盐(或水合物)相变材料，当其熔点较高接近水的沸点时，易发生气化，从而影响相变的组成及其热物性，且有一定的腐蚀性，对储存容器的材质要求高，造成使用的成本较高，安全性相对低，极大地影响其在实际中的应用。

文献《华维三,章学来,刘锋,韩兴超,袁维烨,汪翔.相变材料复合八水氢氧化钡的制备及热性能[J].化工进展，2018.37(11)；4384-4389.》中为了寻找用于存储Ba(OH)2·8H2O相变材料的容器，选取20#碳钢、T2紫铜、H62黄铜和304不锈钢这4种金属材料作为测试对象，将4种金属浸泡在熔融的Ba(OH)2·8H2O溶液中18天后，20#碳钢、T2紫铜、H62黄铜和304不锈钢的失重分别为6.286、4.084、6.66和0.09mg/cm3，因此，Ba(OH)2·8H2O溶液对4种金属都有不同程度的腐蚀性。

有机高分子相变材料具有热能储存量大、温体积变化小、容易与其他材料结合等特点，因而被广泛应用于太阳能的储存和利用、建筑蓄热供暖、储能的炊具等民用和军事领域。其主要缺点是导热系数低，材料的融化温度与凝固温度之间存在大温差，降低了材料的能量利用效率，限制了材料大规模的推广和应用。例如文献《Yi Wang,ShuangLi,TingZhang,DeyiZhang,Hui Ji.Supercooling suppression and thermal behaviorimprovement of erythritol as phase change material for thermal energy storage[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2017,171.》中为解决有机中温相变材料中的赤藓糖醇的过冷问题进行研究，采用微胶囊化的方法，以二氧化硅作为微胶囊的外壳材料，包裹赤藓糖醇，制备出白色的微胶囊粉末材料，使赤藓糖醇的融化与凝固之间的相变温差从90℃减少到13.7℃，但是采用微胶化的方法制备工艺复杂，制造成本高，因为不适用工业化的大量生产制造。

发明内容

为此，本发明提供一种无过冷的中温相变蓄热材料及其制备方法，用以克服现有技术中中温相变蓄热材料具有腐蚀性并且存在过冷的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种无过冷的中温相变蓄热材料及其制备方法，包括，

步骤S1，准备材料，准备第一种相变材料、第二种相变材料以及成核剂，所述第一种相变材料与所述第二种相变材料共占质量比为80-95％，所述成核剂所占质量比为5-20％；

步骤S2，预热反应釜，将反应釜预热至150-220℃；

步骤S3，加料搅拌，将所述第一种相变材料加入所述反应釜，加热至第一种相变材料完全融化后进行搅拌，再将所述第二种相变材料缓慢加入到反应釜中，边加入边搅拌，直至第二种相变材料完全融化，再将所述成核剂缓慢加入到反应釜中，边加入边搅拌，当成核剂完全加入到反应釜中后，搅拌60-120分钟；

步骤S4，倒出降温，将所述反应釜中混合完成的混合物倒出，降温到室温，蓄热材料制备完成；

步骤S5，测试，对完成制备的蓄热材料进行DSC测试和步冷实验测试。

进一步的，所述第一种相变材料为糖醇类物质，所述第二相变材料为脂肪酸类物质或者酯类物质。

进一步的，所述第一种相变材料为木糖醇、山梨糖醇、L-阿拉伯糖醇、D-阿拉伯糖醇、核糖醇、赤藓糖醇、半乳糖醇、乳糖醇、D-乳糖醇一水、麦芽糖醇、L-甘露糖醇、D-甘露糖醇、异麦芽糖醇、异麦芽酮糖醇、D-苏糖醇、甘露庚糖醇中的一种或多种。

进一步的，当所述第二相变材料为脂肪酸类物质时，第二相变材料为己二酸、壬二酸、聚癸二酸酐、癸二酸中的一种或多种。

进一步的，当所述第二相变材料为酯类物质时，第二相变材料为对苯二甲酸二甲酯。。

进一步的，所述成核剂为十水焦磷酸钠、十水硫酸钠、三水醋酸钠、十二水磷酸氢二钠、五水偏硅酸钠、多孔石墨中的一种或者几种。

进一步的，在所述步骤S3中，搅拌速度为300-900转/分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，制备的无过冷中温相变蓄热材料无毒无害，对金属无腐蚀性，安全环保。

进一步地，在DSC测试中，本发明制备的中温相变材料在融化温度与凝固温度之间温差小，无明显过冷问题。

进一步地，在步冷实验中，本发明制备的中温相变材料在凝固的放热曲线中只存在微小的温度波动，不存在过冷问题。

附图说明

图1为本发明所述无过冷的中温相变蓄热材料的制备方法的流程图；

图2为实施例1 DSC测试效果图；

图3为实施例1步冷实验测试效果图；

图4为实施例2 DSC测试效果图；

图5为实施例2步冷实验测试效果图；

图6为实施例3 DSC测试效果图；

图7为实施例3步冷实验测试效果图；

图8为实施例4 DSC测试效果图；

图9为实施例4步冷实验测试效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本发明所述无过冷的中温相变蓄热材料的制备方法的流程图，本发明公布一种无过冷的中温相变蓄热材料的制备方法，包括，

步骤S1，准备材料，准备第一种相变材料、第二种相变材料以及成核剂，所述第一种相变材料与所述第二种相变材料共占质量比为80-95％，所述成核剂所占质量比为5-20％；

步骤S2，预热反应釜，将反应釜预热至150-220℃；

步骤S3，加料搅拌，将所述第一种相变材料加入所述反应釜，加热至第一种相变材料完全融化后进行搅拌，再将所述第二种相变材料缓慢加入到反应釜中，边加入边搅拌，直至第二种相变材料完全融化，再将所述成核剂缓慢加入到反应釜中，边加入边搅拌，当成核剂完全加入到反应釜中后，搅拌60-120分钟；

步骤S4，倒出降温，将所述反应釜中混合完成的混合物倒出，降温到室温，蓄热材料制备完成；步骤S5，测试，对完成制备的蓄热材料进行DSC测试和步冷实验测试。

具体而言，所述第一种相变材料为糖醇类物质，所述第二相变材料为脂肪酸类物质或者酯类物质。

具体而言，所述第一种相变材料为木糖醇、山梨糖醇、L-阿拉伯糖醇、D-阿拉伯糖醇、核糖醇、赤藓糖醇、半乳糖醇、乳糖醇、D-乳糖醇一水、麦芽糖醇、L-甘露糖醇、D-甘露糖醇、异麦芽糖醇、异麦芽酮糖醇、D-苏糖醇、甘露庚糖醇中的一种或多种。

具体而言，当所述第二相变材料为脂肪酸类物质时，第二相变材料为己二酸、壬二酸、聚癸二酸酐、癸二酸中的一种或多种。

具体而言，当所述第二相变材料为酯类物质时，第二相变材料为对苯二甲酸二甲酯。。

具体而言，所述成核剂为十水焦磷酸钠、十水硫酸钠、三水醋酸钠、十二水磷酸氢二钠、五水偏硅酸钠、多孔石墨中的一种或者几种。

具体而言，在所述步骤S3中，搅拌速度为300-900转/分钟。

实施例1

请继续参阅图2、图3所示，其中，图2为实施例1DSC测试效果图、图3为实施例1步冷实验测试效果图，本发明公布一种无过冷的中温相变蓄热材料，使用以下质量材料级步骤进行制备，

采用D-阿拉伯糖醇85g、己二酸8g、十水硫酸钠5g、多孔石墨2g，首先将反应釜预测至170℃，将85g的L-阿拉伯糖醇通过入料口倒入到反应釜中，待L-阿拉伯糖醇完全被加热融化后搅拌，将8g己二酸缓慢加入反应釜中，搅拌至己二酸全部融化，然后将5g的十水硫酸钠缓慢倒入反应釜中，边加入边搅拌，待充分融化后，搅拌30分钟，再加入2g多孔石墨，搅拌60分钟后，倒出，凉至室温后进行DSC测试和步冷实验测试。

使用差示量热扫描仪(DSC)测试其融化温度、融化焓值、凝固温度和凝固焓值，得到如图2所示的DSC测试效果图，步冷实验测试效果如图3所示。

实施例2

请继续参阅图4、图5所示，其中，图4为实施例2DSC测试效果图、图5为实施例2步冷实验测试效果图，本发明公布一种无过冷的中温相变蓄热材料，使用以下质量材料级步骤进行制备，

采用L-阿拉伯糖醇72g、壬二酸15g、十水焦磷酸钠11g、多孔石墨2g，首先将反应釜预测至150℃，将72g的L-阿拉伯糖醇通过入料口倒入到反应釜中，待L-阿拉伯糖醇完全被加热融化后搅拌，将15g壬二酸缓慢加入反应釜中，搅拌至壬二酸全部融化，然后将11g的十水焦磷酸钠缓慢倒入反应釜中，边加入边搅拌，待充分融化后，搅拌30分钟，再加入2g多孔石墨，搅拌60分钟后，倒出，凉至室温后进行DSC测试和步冷实验测试。

使用差示量热扫描仪(DSC)测试其融化温度、融化焓值、凝固温度和凝固焓值，得到如图4所示的DSC测试效果图，步冷实验测试效果如图5所示。

实施例3

请继续参阅图6、图7所示，其中，图6为实施例3DSC测试效果图、图7为实施例3步冷实验测试效果图，本发明公布一种无过冷的中温相变蓄热材料，使用以下质量材料级步骤进行制备，

采用核糖醇90g、己二酸5g、十水焦磷酸钠3g、多孔石墨2g，首先将反应釜预测至170℃，将90g的核糖醇通过入料口倒入到反应釜中，待核糖醇完全被加热融化后搅拌，将5g己二酸缓慢加入反应釜中，搅拌至己二酸全部融化，然后将3g的十水焦磷酸钠缓慢倒入反应釜中，边加入边搅拌，待充分融化后，搅拌30分钟，再加入2g多孔石墨，搅拌60分钟后，倒出，凉至室温后进行DSC测试和步冷实验测试。

使用差示量热扫描仪(DSC)测试其融化温度、融化焓值、凝固温度和凝固焓值，得到如图6所示的DSC测试效果图，步冷实验测试效果如图7所示。

实施例4

请继续参阅图8、图9所示，其中，图8为实施例4DSC测试效果图、图9为实施例4步冷实验测试效果图，本发明公布一种无过冷的中温相变蓄热材料，使用以下质量材料级步骤进行制备，

采用核糖醇84g、壬二酸6g、十水焦磷酸钠8g、多孔石墨2g，首先将反应釜预测至150℃，将84g的核糖醇通过入料口倒入到反应釜中，待核糖醇完全被加热融化后搅拌，将6g壬二酸缓慢加入反应釜中，搅拌至壬二酸全部融化，然后将8g的十水焦磷酸钠缓慢倒入反应釜中，边加入边搅拌，待充分融化后，搅拌30分钟，再加入2g多孔石墨，搅拌60分钟后，倒出，凉至室温后进行DSC测试和步冷实验测试。

使用差示量热扫描仪(DSC)测试其融化温度、融化焓值、凝固温度和凝固焓值，得到如图8所示的DSC测试效果图，步冷实验测试效果如图9所示。

请继续参阅表1所示，其为实施例1-4无过冷中温相变蓄热材料的热物性数据表，实施例1-4中使用差示量热扫描仪(DSC)测试其融化温度、融化焓值、凝固温度和凝固焓值的相关数据如表1所示，

表1

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。