專利名稱：一種多元脂肪酸定形相變材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多元脂肪酸定形相變材料及其制備方法，屬于建筑節(jié)能和儲熱材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著世界能源危機(jī)的日益加劇，人們越來越關(guān)注能源的有效利用。相變材料是可以在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)且吸收或釋放大量能量的一種物質(zhì)。例如固-液相變材料，當(dāng)環(huán)境溫度高于其相變溫度時(shí)，它將從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，同時(shí)吸收并儲存大量的潛熱；而當(dāng)環(huán)境溫度再次降低時(shí)，相變材料又進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變，并將儲存的熱量再次釋放到環(huán)境中去。如此反復(fù)發(fā)生物理狀態(tài)變化時(shí)，相變材料自身特性幾乎不變，但可以將環(huán)境溫度維持在一定的范圍內(nèi)，減少熱量損失，有效提高能源的利用率。
脂肪酸作為非石蠟類有機(jī)相變材料，因其具有高熔融焓、不易燃、相變過程體積膨脹率小以及好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在建筑節(jié)能和日常生活方面得到廣泛應(yīng)用。但是，大多數(shù)脂肪酸的熔點(diǎn)高于應(yīng)用環(huán)境的溫度要求范圍，因此常常需要用二元或多元混合脂肪酸來代替單一的脂肪酸以滿足應(yīng)用環(huán)境要求。施羅德公式是確定二元復(fù)合脂肪酸最低共熔物配比的常用有效方法，但是三元及三元以上復(fù)合脂肪酸配比的確定則需要大量的實(shí)驗(yàn)，通過測定不同配比下產(chǎn)品的性質(zhì)來篩選出適宜的多元脂肪酸相變材料。
定形相變材料通常是由相變物質(zhì)和各種多孔材料組合而成，利用多孔介質(zhì)內(nèi)部的小孔隙將相變物質(zhì)分散成小顆粒以儲存，借助毛細(xì)管效應(yīng)提高相變物質(zhì)在多孔介質(zhì)中儲存的穩(wěn)定性，進(jìn)而使相變材料發(fā)生相變時(shí)能保持一定的形狀，不會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。同時(shí)利用多孔介質(zhì)導(dǎo)熱率高的特點(diǎn)還可以提高相變材料的換熱效率。與普通相變材料相比，定形相變材料具有封裝成本低，傳熱熱阻小，不易泄漏，使用安全等優(yōu)點(diǎn)。
中國專利文件CN101838521A(申請?zhí)?01010169075. 4)公開了一種以皂土為基體，以二元脂肪酸為相變儲能主體的復(fù)合相變儲能材料的制備方法，該方法首先對皂土進(jìn)行改性處理，然后用豆蔻酸和棕櫚酸或者用月桂酸和豆蔻酸制備二元脂肪酸低共熔物，最后將改性皂土、二元脂肪酸和無水乙醇混合、加熱、攪拌、干燥至恒重，即得二元脂肪酸/皂土復(fù)合相變材料。該復(fù)合相變材料的相變點(diǎn)偏高，尤其是用月桂酸和豆蔻酸制備二元脂肪酸低共熔體系時(shí)，最終所得復(fù)合相變材料的相變溫度高達(dá)36°C，使二元脂肪酸/皂土復(fù)合相變材料的應(yīng)用受到了限制。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種相變溫度較低的多元脂肪酸定形相變材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種定形相變材料，由多元脂肪酸和污泥陶粒按以下重量百分比復(fù)合而成多元脂肪酸共熔混合物30% 60% ；污泥陶粒40% 70% ；
所述的多元脂肪酸共熔混合物為癸酸、月桂酸、豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸中的三種或三種以上的共熔混合物；所述污泥陶粒是以粘土和污水處理廠干化后的污泥為原料，按粘土 干化后的污泥=(8. 8 9. 2) (1. 2 0. 8)質(zhì)量比混合、造粒、在920 970°C下燒制而成。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的多元脂肪酸為癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物， 或月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物，或癸酸/月桂酸/硬脂酸三元共熔混合物，月桂酸/豆蔻酸/棕櫚酸/硬脂酸四元共熔混合物。
本發(fā)明定形相變材料的制備方法，步驟如下
將污泥陶粒在高于多元脂肪酸共熔混合物相變點(diǎn)10 20°C的溫度下抽真空30 100分鐘，真空度為0. 08 0. IOMPa ；加入熔化的多元脂肪酸共熔混合物；升至常壓，使液態(tài)多元脂肪酸共熔混合物逐漸滲入污泥陶粒中，吸附滲入時(shí)間為60 150分鐘；降溫，即得多元脂肪酸/污泥陶粒定形相變材料。
上述原料中多元脂肪酸共熔混合物與污泥陶粒均可按現(xiàn)有技術(shù)制備。本發(fā)明優(yōu)選以下制備方法
(1)多元脂肪酸的制備
a.按照由施羅德公式(InX4)計(jì)算出的二元脂肪酸共熔混合物的配lilA1比將癸酸、月桂酸、豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸中的任選兩種混合，以兩者中較高的熔點(diǎn)為基準(zhǔn) T。，在L+lOt 1+201的水浴條件下將該兩種脂肪酸的混合物加熱攪拌30 60分鐘，超聲2 5分鐘后得到二元脂肪酸共熔混合物；
b.測定所得二元脂肪酸共熔混合物的相變點(diǎn)和對應(yīng)焓值，并按照混合配比計(jì)算其理論分子質(zhì)量；將該二元脂肪酸共熔混合物作為單一脂肪酸按照施羅德公式與第三種脂肪酸進(jìn)行混合，方法如步驟a所述，得到三元脂肪酸共熔混合物；以此類推，由三元脂肪酸共熔混合物和第四種脂肪酸混合，可得到四元脂肪酸共熔混合物，以此類推，進(jìn)而得多元脂肪酸共熔混合物。
多元脂肪酸的元數(shù)越多，所得共熔混合物熔點(diǎn)越低，根據(jù)使用環(huán)境溫度而定；綜合考慮制備工藝的復(fù)雜性和共熔混合物熔點(diǎn)的適用性，一般優(yōu)選為二元、三元、四元脂肪酸共熔混合物。特別優(yōu)選三元脂肪酸共熔混合物。
[2]污泥陶粒的制備將烘干后的粘土和干化后的污泥按(8. 8 9. 2) (1. 2 0. 8)質(zhì)量比混合均勻混合、按現(xiàn)有技術(shù)造粒，在920 970°C下燒結(jié)，過篩，制得粒徑為5 8mm的污泥陶粒。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的方案如下
優(yōu)選的方案一、
(1)按照施羅德公式計(jì)算出豆蔻酸和硬脂酸二元脂肪酸的最佳混合質(zhì)量比為 72. 66%與27. 34%，將豆蔻酸和硬脂酸按該配比混合，85°C水浴條件下將這兩種脂肪酸的混合物加熱攪拌50分鐘，超聲3分鐘后得豆蔻酸/硬脂酸二元共熔混合物；測定豆蔻酸 /硬脂酸的二元共熔混合物相變溫度為47. 55°C，相變潛熱為182. 3J/g，計(jì)算得其理論分子質(zhì)量為Ml. 39 ；將該二元脂肪酸共熔混合物看作是單一的脂肪酸，然后與月桂酸進(jìn)行復(fù)合，根據(jù)施羅德公式計(jì)算可知，二元脂肪酸共熔混合物和月桂酸的最佳混合質(zhì)量比為49%與51% ；按照該配比混合后，65°C水浴條件下將其加熱攪拌50分鐘，超聲3分鐘后得月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物。
(2)將粘土 污泥=9 1質(zhì)量比的污泥陶粒在50°C下抽真空40分鐘，真空度為 0. 098MPa ；加入已經(jīng)熔化的月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物；升至常壓，三元共熔混合物滲入污泥陶粒120分鐘；降溫，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相變材料。
優(yōu)選的方案二、
(1)按照施羅德公式計(jì)算出月桂酸和豆蔻酸的最佳混合質(zhì)量比為 65. 08% 34. 92%，將月桂酸和豆蔻酸按該配比混合，65°C水浴條件下將這兩種脂肪酸的混合物加熱攪拌60分鐘，超聲2分鐘后得月桂酸/豆蔻酸二元共熔混合物；測定月桂酸/豆蔻酸的二元共熔混合物相變溫度為35. 10°C，相變潛熱為210. 2J/g，計(jì)算得其理論分子質(zhì)量為209. 30 ；將該二元脂肪酸共熔混合物看作是單一的脂肪酸，然后與癸酸進(jìn)行復(fù)合，根據(jù)施羅德公式計(jì)算可知，二元脂肪酸共熔混合物和癸酸的最佳混合質(zhì)量比為 47.6% 52. 4% ；按照該配比混合后，50°C水浴條件下將其加熱攪拌60分鐘，超聲2分鐘后得癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物。
(2)將粘土 污泥=8.9 1. 1質(zhì)量比的污泥陶粒在40°C下抽真空50分鐘，真空度為0. 095MPa ；加入已經(jīng)熔化的癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物；升至常壓，三元共熔混合物滲入污泥陶粒100分鐘；降溫，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相變材料。
與現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于
1、本發(fā)明以污泥陶粒為多孔基質(zhì)，以多元脂肪酸共熔物為相變儲能主體制備定形相變材料，所提供的相變材料，其相變溫度范圍在15 34°C，具體相變溫度可由脂肪酸的種類和配比進(jìn)行控制，適用于民用建筑的室溫調(diào)節(jié)。夏季可減少空調(diào)耗電，冬季白天儲存太陽光熱量，晚上釋放蓄存的熱量，節(jié)約供暖系統(tǒng)能耗。
2、本發(fā)明所提供的多元脂肪酸共熔混合物的配比確定方法，方便有效，無需進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)逐一篩選，節(jié)約生產(chǎn)成本。先按照施羅德公式合成二元脂肪酸共熔物，測定其相變溫度和相變潛熱，計(jì)算其理論分子質(zhì)量；然后把二元脂肪酸共熔物看作單一脂肪酸，與第三種脂肪酸按照施羅德公式合成三元脂肪酸共熔物，進(jìn)而得多元脂肪酸共熔物。
3、本發(fā)明以污泥陶粒為多孔基質(zhì)，可大量利用污泥，一方面促進(jìn)了污水處理廠污泥的廢物資源化，另一方面巧妙利用了污泥陶粒的高孔隙率特性，增加相變物質(zhì)在多孔基質(zhì)中的吸附量，提高了單位體積定形相變材料的節(jié)能效率。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例中所用的污泥陶粒是粘土 污泥 -9. 2) (1. 2 0. 8)質(zhì)量比混合造粒，在970°C下燒結(jié)制得，粒徑為5 8mm。 實(shí)施例中脂肪酸的二元復(fù)合配比可以按照施羅德公式直接確定，具體方程式如=(8.8
下
InX4 =InXs =^HafiηRk~τ)^HbfiηR~τ)
XA+XB = 1
其中Δ Ha和Δ Hb分別為A、B兩種脂肪酸的摩爾熔融焓；ΤΑ和Tb分別為A、B兩種脂肪酸的熔點(diǎn)；T為A、B兩種脂肪酸的共熔點(diǎn)Aa和&分別為A、B兩種脂肪酸共熔時(shí)在混合物中所占摩爾比。
實(shí)施例1、
(1)根據(jù)施羅德公式計(jì)算出豆蔻酸和硬脂酸的最佳混合質(zhì)量比為 72. 66% 27. 34%，將豆蔻酸和硬脂酸按該配比混合，85°C水浴條件下將這兩種脂肪酸的混合物加熱攪拌50分鐘，超聲3分鐘后得豆蔻酸/硬脂酸二元共熔混合物。
(2)用差示掃描量熱法測定豆蔻酸/硬脂酸的二元共熔混合物，相變溫度為 47. 55°C，相變潛熱為182. 3J/g，計(jì)算得其理論分子質(zhì)量為Ml. 39 ；將該二元脂肪酸共熔混合物看作是單一的脂肪酸，然后與月桂酸進(jìn)行復(fù)合，根據(jù)施羅德公式計(jì)算可知，二元脂肪酸共熔混合物和月桂酸的最佳混合質(zhì)量比為49%/51%;按照該配比混合后，65°C水浴條件下將其加熱攪拌50分鐘，超聲3分鐘后得月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物，其相變溫度為31.47°C，相變潛熱為171.2J/g。
(3)將粘土 污泥=9 1質(zhì)量比的污泥陶粒在50°C下抽真空40分鐘，真空度為 0. 098MPa ；加入已經(jīng)熔化的月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物；將系統(tǒng)升至常壓，三元共熔混合物滲入污泥陶粒120分鐘；降溫，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相變材料。用差示掃描量熱法測定，其相變溫度為31. 53°C，相變潛熱為59. 05J/g。
實(shí)施例2、
(1)根據(jù)施羅德公式計(jì)算出月桂酸和豆蔻酸的混合質(zhì)量比為65. 08% 34. 92%, 將月桂酸和豆蔻酸按該配比混合，65°C水浴條件下將這兩種脂肪酸的混合物加熱攪拌60 分鐘，超聲2分鐘后得月桂酸/豆蔻酸二元共熔混合物。
(2)用差示掃描量熱法測定月桂酸/豆蔻酸的二元共熔混合物，相變溫度為 35. 10°C，相變潛熱為210. 2J/g，計(jì)算得其理論分子質(zhì)量為209. 30 ；將該二元脂肪酸共熔混合物看作是單一的脂肪酸，然后與癸酸進(jìn)行復(fù)合，根據(jù)施羅德公式計(jì)算可知，二元脂肪酸低共熔混合物和癸酸的最佳混合質(zhì)量比為47. 6% /52. 4%;按照該配比混合后，50°C水浴條件下將其加熱攪拌60分鐘，超聲2分鐘后得癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物，其相變溫度為17. 05°C，相變潛熱為203. 7J/g。
(3)將粘土 污泥=8.9 1. 1質(zhì)量比的污泥陶粒在40°C下抽真空50分鐘，真空度為0. 095MPa ；加入已經(jīng)熔化的癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物；將系統(tǒng)升至常壓， 三元共熔混合物滲入污泥陶粒100分鐘；降溫，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相變材料。 用差示掃描量熱法測定，其相變溫度為17. 10°C，相變潛熱為68. OJ/g。
權(quán)利要求
1.一種定形相變材料，其特征在于由多元脂肪酸和污泥陶粒按以下重量百分比復(fù)合而成多元脂肪酸共熔混合物30% 60% ；污泥陶粒40% 70% ；所述的多元脂肪酸共熔混合物為癸酸、月桂酸、豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸中的三種或三種以上的共熔混合物；所述污泥陶粒是以粘土和污水處理廠干化后的污泥為原料，按粘土 干化后的污泥=(8. 8 9. 2) (1. 2 0. 8)質(zhì)量比混合、造粒，在920 970°C下燒制而成。
2.如權(quán)利要求1所述的定形相變材料的制備方法，其特征在于，所述的多元脂肪酸為癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物，月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物，癸酸/ 月桂酸/硬脂酸三元共熔混合物或月桂酸/豆蔻酸/棕櫚酸/硬脂酸四元共熔混合物。
3.權(quán)利要求1所述的定形相變材料的制備方法，步驟如下將污泥陶粒在高于多元脂肪酸共熔混合物相變點(diǎn)10 20°C的溫度下抽真空30 100 分鐘，真空度0. 08 0. IOMPa ；加入熔化的多元脂肪酸共熔混合物；升至常壓，使液態(tài)多元脂肪酸共熔混合物逐漸滲入污泥陶粒中，吸附滲入時(shí)間為60 150分鐘；降溫，即得多元脂肪酸/污泥陶粒定形相變材料。
4.如權(quán)利要求3所述的定形相變材料的制備方法，其特征在于，所述多元脂肪酸的制備步驟如下a.按照由施羅德公式(In )計(jì)算出的二元脂肪酸共熔混合物的配比將lilA1癸酸、月桂酸、豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸中的任選兩種混合，以兩者中較高的熔點(diǎn)為基準(zhǔn)Tci， 在TfKTC ！>201的水浴條件下將該兩種脂肪酸的混合物加熱攪拌30 60分鐘，超聲 2 5分鐘后得到二元脂肪酸共熔混合物；b.測定所得二元脂肪酸共熔混合物的相變點(diǎn)和對應(yīng)焓值，并按照混合配比計(jì)算其理論分子質(zhì)量；將該二元脂肪酸共熔混合物作為單一脂肪酸按照施羅德公式與第三種脂肪酸進(jìn)行混合，方法如步驟a所述，得到三元脂肪酸共熔混合物；以此類推，由三元脂肪酸共熔混合物和第四種脂肪酸混合，可得到四元脂肪酸共熔混合物，以此類推，進(jìn)而得多元脂肪酸共熔混合物。
5.如權(quán)利要求3所述的定形相變材料的制備方法，其特征在于，步驟如下(1)按照施羅德公式計(jì)算出豆蔻酸和硬脂酸二元脂肪酸的混合質(zhì)量比為72.66%與 27. 34%，將豆蔻酸和硬脂酸按該配比混合，85°C水浴條件下將這兩種脂肪酸的混合物加熱攪拌50分鐘，超聲3分鐘后得豆蔻酸/硬脂酸二元共熔混合物；測定豆蔻酸/硬脂酸的二元共熔混合物相變溫度為47. 55°C，相變潛熱為182. 3J/g，計(jì)算得其理論分子質(zhì)量為Ml. 39 ； 將該二元脂肪酸共熔混合物看作是單一的脂肪酸，然后與月桂酸進(jìn)行復(fù)合，根據(jù)施羅德公式計(jì)算可知，二元脂肪酸共熔混合物和月桂酸的混合質(zhì)量比為49%與51% ；按照該配比混合后，65°C水浴條件下將其加熱攪拌50分鐘，超聲3分鐘后得月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物；(2)將粘土污泥=9 1質(zhì)量比的污泥陶粒在50°C下抽真空40分鐘，真空度為 0. 098MPa ；加入已經(jīng)熔化的月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物；升至常壓，三元共熔混合物滲入污泥陶粒120分鐘；降溫，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相變材料。
6.如權(quán)利要求3所述的定形相變材料的制備方法，其特征在于，步驟如下(1)按照施羅德公式計(jì)算出月桂酸和豆蔻酸的混合質(zhì)量比為65.08% 34. 92%，將月桂酸和豆蔻酸按該配比混合，65°C水浴條件下將這兩種脂肪酸的混合物加熱攪拌60分鐘， 超聲2分鐘后得月桂酸/豆蔻酸二元共熔混合物；測定月桂酸/豆蔻酸的二元共熔混合物， 相變溫度為35. 10°C，相變潛熱為210. 2J/g，計(jì)算得其理論分子質(zhì)量為209. 30 ；將該二元脂肪酸共熔混合物看作是單一的脂肪酸，然后與癸酸進(jìn)行復(fù)合，根據(jù)施羅德公式計(jì)算得二元脂肪酸共熔混合物和癸酸的混合質(zhì)量比為47. 6% 52.4% ；按照該配比混合后，50°C水浴條件下將其加熱攪拌60分鐘，超聲2分鐘后得癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物；(2)將粘土污泥=8. 9 1.1質(zhì)量比的污泥陶粒在40°C下抽真空50分鐘，真空度為 0. 095MPa ；加入已經(jīng)熔化的癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物；升至常壓，三元共熔混合物滲入污泥陶粒100分鐘；降溫，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相變材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多元脂肪酸定形相變材料及其制備方法。該定形相變材料是以下原料復(fù)合而成多元脂肪酸共熔混合物30～60％，污泥陶粒40～70％。制備方法是將污泥陶粒在高于多元脂肪酸共熔混合物相變點(diǎn)10～20℃的溫度下抽真空30～100分鐘，加入熔化的多元脂肪酸；升至常壓，使液態(tài)多元脂肪酸逐漸滲入污泥陶粒中，降溫，即得多元脂肪酸/污泥陶粒定形相變材料。該制備方法工藝簡單，所得相變材料相變溫度較低，適用于民用建筑的室溫調(diào)節(jié)。
文檔編號C04B33/132GK102531550SQ201110435480
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者何紅桃, 葉新強(qiáng), 岳欽艷, 王俊鵬, 高寶玉, 高悅, 高桂波 申請人:山東大學(xué)