专利名称：相变储能陶粒及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种相变储能材料，具体为一种相变储能陶粒及其制备方法。
目前相变储能技术的热点之一是在生态建筑中应用。包括采用材料复合制备技术将相变物质与封装或骨架材料复合在一起，制成复合材料，例如德国BASF公司和Fraunhofer太阳能系统研究所合作采用微胶囊技术将相变物质封装在高分子聚合物中，制备成相变储能泥灰，便于在建筑领域使用。该方法的优点是相变物质储藏可靠性高，储能耐久性好，但成本较高。还有的将相变物质与建筑制品直接复合，使建筑结构同时具有承重和相变储能的双重功能，例如加拿大Concordia大学Feldman教授等人将有机相变物质渗入建筑制品(如石膏板或多孔混凝土砌块等)，制成具有相变潜热储能功能的建筑墙板和砌块等。这一方法的优点是成本比较低，但目前还存在相变物质在使用过程中容易泄漏，储藏可靠性等问题。在目前的太阳能建筑中还是以混凝土、卵石等材料的显热方式储存热能为主，虽然显热储能的储能密度不高、体积较大，但具有成本低廉和储能性能长期稳定的优点，因此，要取代显热储热能在建筑领域中的地位，相变潜热储能技术必需同时解决成本过高和耐久性(即相变物质的储藏可靠性)两个问题。
本发明提出的相变储能材料，以轻质多孔陶粒为基体，其内部吸附储存有有机相变物质，外部包覆有聚合物基复合材料膜层；该陶粒的孔隙率为50-80％，陶粒中有机相变物质的体积含量为40-70％，外覆膜层的厚度为10-100微米。
由于上述相变储能材料以陶粒为基体，故称其为相变储能陶粒。该相变储能陶粒具有优越的性能，其相变温度为5-70℃之间，相变储能密度大于30MJ/m3，相变过程换热系数大于3.0kW/℃·m3。
上述相变储能陶粒的陶粒基体一般可采用黏土，页岩、膨胀珍珠岩等，其形状和大小尺寸没有限制，有机相变物质一般可采用石蜡(即烷烃混合物)或脂肪酸及其衍生物等；外层聚合物基复合材料一般采用树脂、乳液等作为基材，采用导热系数高(大于10w/m·k)的金属或无机非金属(如铝、铁氧体、粉煤灰、矿渣、硅灰等)粉末作为填料，使膜层具有低渗透、高传热性能，填料占复合材料的重量比为1-4％。
本发明提出的相变储能陶粒的制备方法为，采用真空浸渗法，使陶粒吸收和储存有机相变物质；再采用沉浸法，在陶粒外部涂覆聚合物基复合材料膜层。
上述制备方法中，真空浸渗法的步骤如下先用抽真空的方法抽除陶粒中的空气，真空压一般高于80KPa，然后在真空环境下将陶粒浸泡于有机相变物质溶液中；去掉真空，再继续浸泡10分钟以上即可。本发明方法中，所选用的陶粒的孔隙率要求在50-80％之间(压汞法)，孔连通性在50-95％之间(图像分析法)。孔内酸碱环境为中性，对有机相变物质无副作用，以适合大容量和长时间储存有机相变物质，并保护有机相变物质免受外界环境作用，延长其储能功能的寿命，提高其耐久性。所选用的有机相变物质的相变焓要求在100J/g以上，相变温度在5～70℃之间选择，价格便宜，容易大量获得。密封膜层的孔隙率要求小于5％，孔连通性小于2％(图像分析法)。
本发明采用陶粒作为有机相变物质的储藏介质，陶粒的孔结构具有内部孔隙率和孔径比较大、边界处孔隙率和孔径很小的特点，非常适合对液态物质的长期储藏，通过在陶粒外增加一个低渗透性膜层，进一步提高其储藏可靠性和储能性能的长期稳定性。在相变换热效率方面，由于陶粒孔结构将有机相变物质分化为非常细小的个体，大大增加其相变换热效率，而陶粒孔结构骨架还可发挥类似传热工程中的翅的强化传热功能，这些都使得相变储能陶粒具有非常高的相变过程换热效率。此外，陶粒材料来源广泛、价格非常便宜，制备工艺简单，容易实现工业化生产。因此相变储能陶粒可以同时具有成本低廉、储能性能长期稳定和相变过程换热效率高的优点，非常适合在建筑等领域应用。相变储能陶粒既可直接作为成品获得使用，也可用作原材料制备相变储能复合材料。例如，在直接使用方面，可采用相变储能陶粒替代冰球，用于相变蓄冷设备中，可以在建筑蓄冷和工业蓄冷领域推广使用，产生非常可观的经济效益。在作为原材料使用方面，可以采用相变储能陶粒、水泥或石膏等制作具有相变储能功能的墙体，有助于建筑节能。
实施例2采用孔隙率为73.3％膨胀黏土陶砂储存有机相变物质，陶砂的最大粒径为3毫米，形状为椭球形。选用熔点为45℃、相变焓为200J/g的石蜡(烷烃混合物)作为有机相变物质。真空浸渗参数为抽真空时间为30分钟，真空压为88.5kPa，浸泡时间为30分钟。有机相变物质在陶粒中的储存量为60％。密封膜层材料采用硬化纯聚合物乳液基复合材料，乳液采用商用的丁苯橡胶乳液，加入2％体积含量的铝粉。加密封膜层后的相变储能陶粒的中有机相变物质的含量为59.1％。相变储能陶粒的相变温度为46.5℃，相变储能密度为66.8MJ/m3，相变过程换热系数为3.8kW/℃·m3。
实施例3采用孔隙率为75.6％膨胀黏土陶粒储存有机相变物质，陶粒的最大粒径为20毫米，形状近似为球形。选用熔点为22℃，相变焓为128.5J/g的硬脂酸丁酯为有机相变物质。真空浸渗参数为抽真空时间为30分钟，真空压为88.5kPa，浸泡时间为35分钟。有机相变物质在陶粒中的储存量为67.5％。密封膜层采用由环氧树脂和铝粉组成的复合材料，铝粉的体积含量为2％。加密封层后的相变储能陶粒中有机相变物质的含量为65.7％。相变储能陶粒的相变温度为23.1℃，相变储能密度为44.8MJ/m3，相变过程换热系数为4.3kW/℃·m3。
权利要求
1.一种相变储能陶粒，其特征在于以轻质多孔陶粒为基体，其内部吸附储存有有机相变物质，外部包覆有聚合物基复合材料膜层；该陶粒的孔隙率为50-80％，陶粒中有机相变物质的体积含量为40-70％，外覆膜层的厚度为10-100微米。
2.根据权利要求1所述的相变储能陶粒，其特征在于陶粒基体采用黏土、页岩、膨胀珍珠岩。
3.根据权利要求1所述的相变储能陶粒，其特征在于有机相变物质为石蜡或脂肪酸及其衍生物。
4.根据权利要求1所述的相变储能陶粒，其特征在于外层聚合物基复合材料以树脂、乳液作为基材，以导热系数大于10w/m·k的金属或无机非金属粉末作为填料，填料占复合材料重量比1-4％。
5.一种如权利要求1-4之一所述的相变储能陶粒的制备方法，其特征在于采用真空浸渗法，使陶粒吸收和储存有机相变材料；再采用沉浸法，在陶粒外部涂覆聚合物基复合材料膜层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于真空浸渗法的步骤如下先通过抽真空抽除陶粒中的空气，然后在真空环境下将陶粒浸泡于有机相变物质溶液中；去掉真空，再继续浸泡30分钟以上。
全文摘要
本发明为一种相变储能陶粒及其制备方法。该相变储能陶粒以轻质多孔陶粒为基体，其内部吸附、储存有有机相变物质，外部包覆有聚合物基复合材料膜层。其制备方法是先用真空浸渗法使陶粒吸附储存有机相变物质，再采用沉浸法涂覆聚合物基复合材料膜层。本发明的相变储能陶粒储能长期稳定，相变过程换热效率高，非常适合于建筑等领域应用。而且，材料来源广泛、价格便宜，制备工艺简单，容易实现工业化生产。
文档编号C09K5/02GK1475543SQ03128999
公开日2004年2月18日 申请日期2003年6月2日 优先权日2003年6月2日
发明者张东, 吴科如, 张 东 申请人:同济大学