一种两梯度相变蓄热材料及其制备方法与流程

本发明属于蓄热材料技术领域，特别涉及一种中低温两梯度相变蓄热材料及其制备方法。

背景技术：

我国工业余热资源丰富，主要包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热等，余热资源约占其燃料消耗总量的17％～67％，其中可回收率达60％，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大。但是，热能在利用中都存在时间的间断性、空间的差异性和强度的不稳定性等缺点，这极大的限制了其大规模化应用。蓄热技术利用相变蓄热材料内部能量的转化，能对热能进行收集、存储与释放，进而实现对热能供求关系的合理调控，达到能量高效合理利用的目的。

相变蓄热材料一般具有可逆性好、储能密度高、可操作性强等特点。相变蓄热材料利用物质在相变过程中吸热放热进行储存释放潜热，按其使用相变温度划分为高温(高于450℃)、中温(100～450℃)、低温(0～100℃)和超低温(低于0℃)等四类，按其化学组成主要分为有机相变蓄热材料和无机相变蓄热材料。有机相变蓄热材料主要有石蜡、醋酸、己二酸等有机物，有机相变蓄热材料性能较稳定，几乎无过冷和相分离问题，主要缺点是相变潜热低，物质密度较小，由此造成了有机相变蓄热材料单位体积蓄热量较小，另外有机相变蓄热材料导热系数低。无机相变蓄热材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等，无机相变蓄热材料具有较高的单位体积蓄热量和良好的导热性，其缺点是易产生过冷和相分离。

目前许多研究者基于有机相变蓄热材料的热性能及无机相变蓄热材料的过冷、相分离问题进行了一系列的研究。研究表明，在低温应用领域(低于100℃)，具有较高显热容和低廉价格的水是最优的蓄热介质，而在中高温领域，特别是中温(80～250℃)的蓄热材料的研究相对较少，热利用技术相对薄弱，缺乏系统的研究。中国专利CN103834366A公开了一种工业中温用相变蓄热材料及其制备方法，蓄热材料由己二酸、镀铜碳纳米管及粘结剂组成，碳纳米管需要经过400℃高温处理、超声波处理、表面镀铜处理等一些列的处理措施，工艺过程复杂。中国专利CN104559936A公开了一种中温用相变蓄热材料及其制备方法，蓄热材料由己二酸、稀土氧化物、石墨烯以及粘结剂组成，制备的己二酸蓄热材料生产成本较高。因此，很有必要开发一种完全适合工业余热需求的蓄热量高、过冷度低、导热性能好、热稳定性好、工艺简单、低成本的中低温两梯度相变蓄热材料及其制备方法，具有重要的实用价值。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术上存在的不足，提供一种蓄热量高、过冷度低、导热性能好、热稳定性好、工艺简单、低成本的中低温两梯度相变蓄热材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种两梯度相变蓄热材料，由以下质量含量的材料组分组成：对甲氧基苯酚38～42％，邻苯三酚45～48％，纳米级二氧化硅4～6％，纳米级石墨粉3～5％，脂肪酸聚氧乙烯酯2％，对苯二酚2％。

一种两梯度相变蓄热材料的制备方法，其步骤如下：

(1)将制备两梯度相变蓄热材料的原材料按照质量比称量，原材料各组分的质量配比为：对甲氧基苯酚38～42％，邻苯三酚45～48％，纳米级二氧化硅4～6％，纳米级石墨粉3～5％，脂肪酸聚氧乙烯酯2％，对苯二酚2％，其中，对甲氧基苯酚、邻苯三酚100目过筛备用。

(2)将对甲氧基苯酚按配比放入混料釜中，混料釜升温至60～70℃，搅拌1小时，使对甲氧基苯酚处于完全熔融状态。

(3)按配比向混料釜中依次加入脂肪酸聚氧乙烯酯与对苯二酚，边搅拌边升温。

(4)釜升温至150～160℃时，将邻苯三酚按配比加入混料釜中，搅拌2小时，使邻苯三酚处于完全熔融状态以及对甲氧基苯酚、邻苯三酚混合均匀。

(5)在搅拌状态下，按配比向混料釜中依次加入纳米级二氧化硅、纳米级石墨粉，在150～160℃温度下熔融吸附3小时。

(6)冷却造粒成型，即得到所述两梯度相变蓄热材料。

本发明的原理在于：相变材料对甲氧基苯酚和邻苯三酚分别为低温相变材料和中温相变材料，二者相变潜热高、热性能优异，二者组合使用，一方面可以实现工业余热的梯级利用，降低对热源的要求，满足不同用户需求，另一方面，中温相变材料邻苯三酚蓄热、放热时，低温相变材料对甲氧基苯酚为熔融状态，可提高中温相变材料邻苯三酚的导热能力，大大缩短中温相变材料邻苯三酚的蓄热、放热时间。纳米级二氧化硅具有较强的蓄热能力、导热性能和吸附性能，纳米级石墨粉具有较强的导热性能和吸附性能，纳米级二氧化硅和纳米级石墨粉在提高相变材料对甲氧基苯酚和邻苯三酚蓄热能力的同时，增强了相变材料对甲氧基苯酚和邻苯三酚的导热性能及热稳定性，提高了相变材料的使用寿命。脂肪酸聚氧乙烯酯非离子表面活性剂可使相变材料对甲氧基苯酚、邻苯三酚与纳米级二氧化硅、纳米级石墨粉充分混合，避免相分离现象的发生，同时对苯二酚提高体系稳定性。

本发明的积极效果是：

(1)本发明以对甲氧基苯酚、邻苯三酚、纳米级二氧化硅、纳米级石墨粉、脂肪酸聚氧乙烯酯非离子表面活性剂、对苯二酚为原料，通过简单工艺制备出两梯度相变蓄热材料，生产周期短。

(2)本发明制备的两梯度相变蓄热材料为两级相变材料，可实现工业余热的梯级利用。同时该蓄热材料，对热源的要求低，可满足用户对蒸汽和热水的需求。中温相变材料邻苯三酚蓄热、放热时，低温相变材料对甲氧基苯酚为熔融状态，可提高中温相变材料邻苯三酚的导热能力，大大缩短中温相变材料邻苯三酚的蓄热、放热时间。

(3)本发明制备的两梯度相变蓄热材料中掺入纳米级二氧化硅和纳米级石墨粉，可增强相变材料的蓄热能力、导热性能和吸附性能，提高相变材料的使用寿命。

(4)掺入脂肪酸聚氧乙烯酯非离子表面活性剂与对苯二酚，可使相变材料对甲氧基苯酚、邻苯三酚与纳米级二氧化硅、纳米级石墨粉充分混合，避免相分离现象的发生，增强体系稳定性。

总之，本发明制备的两梯度相变蓄热材料具有蓄热量高、过冷度低、导热性能好、热稳定性好、工艺简单、低成本等优点，可实现工业余热的梯级利用，满足用户对蒸汽和热水的需求。

附图说明

图1是本发明一种两梯度相变蓄热材料制备方法的流程图。

图2是本发明一种两梯度相变蓄热材料蓄热时间与体系温度变化图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

实施例1

两梯度相变蓄热材料的原材料组分及质量比为：对甲氧基苯酚38％，邻苯三酚48％，纳米级二氧化硅6％，纳米级石墨粉4％，脂肪酸聚氧乙烯酯非离子表面活性剂2％，对苯二酚2％。

制备时按图1所示，先将100目过筛的对甲氧基苯酚加入混料釜，加热至60～70℃，搅拌1小时，使对甲氧基苯酚完全熔融，然后依次加入脂肪酸聚氧乙烯酯、对苯二酚。继续搅拌升温至150～160℃，将100目过筛的邻苯三酚加入混料釜，搅拌2小时，使邻苯三酚完全熔融并与对甲氧基苯酚混合均匀，然后依次加入纳米级二氧化硅、纳米级石墨粉，在150～160℃温度下熔融吸附3小时。生成的相变材料送入造粒机，即得到所述中低温两梯度相变蓄热材料。

经测试，本实施例所制备的中低温两梯度相变蓄热材料两次相变的温度分别为54.3℃、133.5℃，热导率为2.46W/(m·K)，过冷度为0.8℃。以一定的升温速率从室温升温至180摄氏度，保温5min，然后冷却至室温，经过这样的500次蓄热、放热循环后，质量损失率小于1％。

实施例2

两梯度相变蓄热材料的原材料组分及质量比为：对甲氧基苯酚40％，邻苯三酚46％，纳米级二氧化硅5％，纳米级石墨粉5％，脂肪酸聚氧乙烯酯非离子表面活性剂2％，对苯二酚2％。

制备时按图1所示，先将100目过筛的对甲氧基苯酚加入混料釜，加热至60～70℃，搅拌1小时，使对甲氧基苯酚完全熔融，然后依次加入脂肪酸聚氧乙烯酯、对苯二酚。继续搅拌升温至150～160℃，将100目过筛的邻苯三酚加入混料釜，搅拌2小时，使邻苯三酚完全熔融并与对甲氧基苯酚混合均匀，然后依次加入纳米级二氧化硅、纳米级石墨粉，在150～160℃温度下熔融吸附3小时。生成的相变材料送入造粒机，即得到所述中低温两梯度相变蓄热材料。

经测试，本实施例所制备的两梯度相变蓄热材料两次相变的温度分别为54.2℃、133.4℃，热导率为2.38W/(m·K)，过冷度为0.8℃。以一定的升温速率从室温升温至180摄氏度，保温5min，然后冷却至室温，经过这样的500次蓄热、放热循环后，质量损失率小于1％。

实施例3

两梯度相变蓄热材料的原材料组分及质量比为：对甲氧基苯酚42％，邻苯三酚45％，纳米级二氧化硅4％，纳米级石墨粉5％，脂肪酸聚氧乙烯酯非离子表面活性剂2％，对苯二酚2％。

制备时按图1所示，先将100目过筛的对甲氧基苯酚加入混料釜，加热至60～70℃，搅拌1小时，使对甲氧基苯酚完全熔融，然后依次加入脂肪酸聚氧乙烯酯、对苯二酚。继续搅拌升温至150～160℃，将100目过筛的邻苯三酚加入混料釜，搅拌2小时，使邻苯三酚完全熔融并与对甲氧基苯酚混合均匀，然后依次加入纳米级二氧化硅、纳米级石墨粉，在150～160℃温度下熔融吸附3小时。生成的相变材料送入造粒机，即得到所述中低温两梯度相变蓄热材料。

经测试，本实施例所制备的两梯度相变蓄热材料两次相变的温度分别为54℃、133.4℃，热导率为2.35W/(m·K)，过冷度为0.7℃。以一定的升温速率从室温升温至180摄氏度，保温5min，然后冷却至室温，经过这样的500次蓄热、放热循环后，质量损失率小于1％。