專利名稱：一種用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一類可用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的具有高相變體積膨脹率的相變材料。屬于一類具有高相變體積膨脹率的物質(zhì)的新的應(yīng)用方法及其在溫度傳感及相關(guān)方面的應(yīng)用，屬于材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用物質(zhì)固液相變前后密度的突變，將其間的體積縮脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，不但可以通過環(huán)境溫度來驅(qū)動的伸縮位移輸出，來控制冷水或熱水的水流大小實現(xiàn)對水溫的調(diào)控，而且能通過一定的機(jī)構(gòu)設(shè)計，將這種往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為所需要的特定機(jī)械運(yùn)動，從而利用廢熱、地?zé)?、氣溫變化、日照、低峰電能這些間歇的能量，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行進(jìn) 一步應(yīng)用。由固液相變帶動的位移輸出耐壓性好，經(jīng)密閉封裝后不消耗、不揮發(fā)，因而可成為一種綠色安全的無能耗非電型自動溫控元件，實現(xiàn)非電型自動溫控、自動調(diào)流閥、自動混水的操作，特別適合于在一些易燃易爆場所，如化工廠、礦井使用；也可用于借助于這種體積突變轉(zhuǎn)化為長度、電、磁等信號制成各種熱能、溫度傳感元件或控制閥，還能利用洋流或海水溫度隨深度的變化制成長壽命水下滑翔器用于海洋生態(tài)的監(jiān)控，也能通過特定機(jī)構(gòu)設(shè)計成為一種新的綠色發(fā)電途徑。和儲能用相變材料要求盡可能低的熱膨脹率不同，在傳遞熱能機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料要求盡可能高的相變體積變化率(固液密度差大)以提高位移輸出對環(huán)境溫度的響應(yīng)精度，提高熱能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率；能承受更大的壓力(膨脹率受壓力影響小)以適應(yīng)更嚴(yán)酷的環(huán)境。此外，相變潛熱小可使傳感更靈敏；熱導(dǎo)率高可提高響應(yīng)時間；需要適合于不同溫度范圍的這種相變材料以便提高其環(huán)境適應(yīng)性。當(dāng)前，用于此種目的的相變材料主要是不同鏈長的直鏈烷烴的合金。其相變膨脹率高、穩(wěn)定、對容器材質(zhì)無腐蝕。但由于直鏈烷烴的非極性，其分子間作用力弱，其熔點(diǎn)顯著低于其含相同數(shù)碳原子數(shù)的對應(yīng)衍生物(見圖2)，使其在常見的熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，需要的分子量較高，使其原料成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)約能源，具有安全性和可靠性的以實現(xiàn)熱能-機(jī)械能高效轉(zhuǎn)化為目的的組合物。實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物，其特征在于所述相變材料組合物由具有直鏈分子結(jié)構(gòu)特征的兩性有機(jī)物基料和一種導(dǎo)熱劑構(gòu)成；所述組合物重量比為有機(jī)物基料65-90%，導(dǎo)熱劑10-35% ；
所述有機(jī)物基料由一種或兩種含碳數(shù)為12 24個的下列有機(jī)物的合金直鏈烷醇、直鏈烷酸、直鏈反式單不飽和脂肪酸；所述導(dǎo)熱劑為石墨。進(jìn)一步，用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物，由如下重量比的成份組成；正鏈烷酸85-90%，石墨10-15%;其中，正鏈烷酸含月桂酸和豆蘧酸；月桂酸和豆蘧酸的摩爾比為 2: I。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明具有一維線性分子結(jié)構(gòu)特征的基料，使其分子在固態(tài)時可呈軸向平行排列，而在液態(tài)時分子呈隨機(jī)無規(guī)后排列，從而導(dǎo)致其固液態(tài)密度差異大，使其具有高相變體積變化率，由此可提高熱能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率。2、本發(fā)明由具有直鏈分子結(jié)構(gòu)特征的兩性有機(jī)物基料和一種導(dǎo)熱劑構(gòu)成的相變材料組合物，利用有機(jī)物基料的極性而加大的分子間力，使所述組合物具有比含相同碳原子數(shù)的線性鏈烷分子更高的熔點(diǎn)，可利用較低分子量的所描述有機(jī)物實現(xiàn)同溫度范圍內(nèi)的熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化或溫度調(diào)控，以降低材料成本。3、該組合物材料成本低，相變范圍可調(diào)，可根據(jù)需傳感或控制的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。4、本發(fā)明用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物所用基料，在烴鏈的碳原子數(shù)的前提下，其相變溫度比對映直鏈烷烴的相變溫度顯著提高，因此在所應(yīng)用的相變溫度給定的情況下，可用含碳數(shù)更少的基料，達(dá)到降低原料成本的目的。


圖I是溫度對體積變化的影響(壓強(qiáng)28個大氣壓)；
圖2是熔點(diǎn)與鏈長的關(guān)系變化圖。
具體實施例方式實施例I :一種用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物，由具有直鏈分子結(jié)構(gòu)特征的兩性有機(jī)物基料和一種導(dǎo)熱劑構(gòu)成。所述組合物重量比為有機(jī)物基料65-90%，例如有機(jī)物基料與導(dǎo)熱劑的重量比為65 35 ；70 30 ；75 25 ；80 20 ;或90 10等。所述有機(jī)物基料使用的直鏈烷醇為直鏈伯醇，其結(jié)構(gòu)特征為CH3 (CH2) lcr22CH20H，在其直鏈端頭帶有極性基團(tuán)-0H。所述導(dǎo)熱劑為石墨。實施例2 :與實施例I不同的是，所述有機(jī)物基料為線性直鏈烷酸，其分子式為CH3 (CH2) lcr22C00H，在其直鏈端頭帶有極性基團(tuán)-C00H。實施例3 :與實施例I不同的是，所述有機(jī)物基料為直鏈反式單不飽和脂肪酸，其分子式為CH3 (CH2) XCH=CH(CH2) YC00H,式中X+Y=8 20，在其鏈端頭的極性基團(tuán)-C00H。
本發(fā)明其基料具有一維線性分子結(jié)構(gòu)特征，使其分子在固態(tài)時可呈軸向平行排列，而在液態(tài)時分子呈隨機(jī)無規(guī)后排列，從而導(dǎo)致其固液態(tài)密度差異大，使其具有高相變體積變化率，由此可提高熱能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率。并且，采用鋸齒鏈狀的分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)物，其優(yōu)點(diǎn)可使其固體狀態(tài)下實現(xiàn)更緊密的堆積，其鏈端頭帶極性基團(tuán)，使分子間力增大，熔點(diǎn)較碳原子數(shù)相同的直鏈烷烴大，可利用較低分子量的所描述有機(jī)物實現(xiàn)同溫度范圍內(nèi)的熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化或溫度調(diào)控，以降低材料成本。利用有機(jī)物基料的極性而加大的分子間力，使所述組合物具有比含相同碳原子數(shù)的線性鏈烷分子更高的熔點(diǎn)，以降低材料成本。優(yōu)選的，所述用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物，由如下重量比的成份組成；正鏈烷酸85-90%，石墨10-15%;具體重量比為85 :15，88 :12或者90 10 ;其中，正鏈烷酸為月桂酸和豆蘧酸的溶液，月桂酸和豆蘧酸的摩爾比為2:1。參見圖1，該組合物在28個大氣壓下相變膨脹率高( 8%)、相變溫度范圍窄(4(T43°C)的特點(diǎn)。本發(fā)明用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物的相變溫度比對映正鏈烷烴的相變溫度顯著提高、同時保留其高相變體積膨脹率的特性，達(dá)到降低原料成本的目的。其基本配料為具有直鏈分子結(jié)構(gòu)特征的兩性有機(jī)物基料，比含相同碳原子數(shù)的線性鏈烷分子間較強(qiáng)的分子間力而擁有的高熔點(diǎn)，可利用較低分子量的所描述有機(jī)物實現(xiàn)同溫度范圍內(nèi)的熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化或溫度調(diào)控，可顯著降低材料成本。當(dāng)這種有機(jī)分子在凝固時可按分子 間作用力最大化的原則緊密規(guī)則排列，而熔化時則因分子熱運(yùn)動而呈隨機(jī)無規(guī)狀態(tài)而至分子間間隔加大，從而因固態(tài)與液態(tài)之間密度差導(dǎo)致熔化前后的高體積膨脹率，通過實現(xiàn)熱能-機(jī)械能有效轉(zhuǎn)化用于非電磁溫控、發(fā)電等領(lǐng)域。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物，其特征在于 所述相變材料組合物由具有直鏈分子結(jié)構(gòu)特征的兩性有機(jī)物基料和一種導(dǎo)熱劑構(gòu)成；所述組合物重量比為有機(jī)物基料65-90%，導(dǎo)熱劑10-35% ； 所述有機(jī)物基料由一種或兩種含碳數(shù)為12 24個的下列有機(jī)物的合金直鏈烷醇、直鏈烷酸、直鏈反式單不飽和脂肪酸； 所述導(dǎo)熱劑為石墨。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物，其特征在于，所述直鏈烷醇為直鏈伯醇，其分子式為CH3 (CH2) !O^22CH2OH0
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物，其特征在于，所述直鏈烷酸，其分子式為CH3 (CH2) lcr22C00H。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物，其特征在于，所述直鏈反式單不飽和脂肪酸，其分子式為CH3 (CH2)xCH=CH (CH2)yCOOH，式中X+Y=8 20。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相變材料組合物，其特征在于，由如下重量比的成份組成；正鏈烷酸85-90%，石墨10-15% ;其中，正鏈烷酸含月桂酸和豆蘧酸；月桂酸和豆蘧酸的摩爾比為2:1。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用一種可用于實現(xiàn)熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化的具有高相變體積膨脹率的相變材料組合物。其基料具有一維線性分子結(jié)構(gòu)特征，使其分子在固態(tài)時可呈軸向平行排列，而在液態(tài)時分子呈隨機(jī)無規(guī)后排列，從而導(dǎo)致其固液態(tài)密度差異大，使其具有高相變體積變化率，由此可提高熱能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率。該材料成本低，相變范圍可調(diào)，因而可根據(jù)需傳感或控制的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
文檔編號C09K5/06GK102660234SQ201210147949
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者劉應(yīng)杰, 楊偉只, 楊明莉, 鮮學(xué)福 申請人:重慶大學(xué)