用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)的用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料，其特征在于，所述可用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料為月桂酸?肉豆蔻酸?棕櫚酸三元共晶相變材料或月桂酸?棕櫚酸?硬脂酸三元共晶相變材料。本發(fā)明的用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料節(jié)能效果顯著，使用范圍廣。本發(fā)明還公開(kāi)了該用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料的制備方法。
【專利說(shuō)明】
用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及建筑外墻節(jié)能材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變 材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源的關(guān)注也越來(lái)越多，因此提高 能源利用效率已成為一個(gè)重要的研究課題。潛熱儲(chǔ)存這一旨在解決時(shí)間、空間熱量供求不 均的儲(chǔ)能方式，以其溫度變化范圍小、儲(chǔ)能密度高的優(yōu)點(diǎn)，已被認(rèn)為是一種有效解決如今能 源短缺和環(huán)境問(wèn)題的途徑，并被廣泛應(yīng)用于低溫制冷、建筑節(jié)能、太陽(yáng)能存儲(chǔ)、熱能回收等 方面。在建筑外墻中填充一種可儲(chǔ)能的材料，有效地儲(chǔ)存能量，在需要的時(shí)候再釋放利用， 是建筑節(jié)能的有效方法。
[0003] 共晶相變材料可以降低溫度波動(dòng)，可被作為一個(gè)減少建筑能源消耗的潛在設(shè)計(jì)。 共晶相變材料的使用原理是通過(guò)其相變時(shí)吸放熱來(lái)調(diào)節(jié)氣溫。當(dāng)溫度升高時(shí)，材料從固相 變?yōu)橐合?，過(guò)程中吸收熱量;當(dāng)溫度降低時(shí)，材料從液相變?yōu)楣滔啵^(guò)程中放出熱量，使本應(yīng) 變化室內(nèi)氣溫的熱量部分被共晶相變材料耗散。相關(guān)研究表明，在眾多相變材料中，脂肪酸 因其不易過(guò)冷、潛熱高、低蒸汽壓、無(wú)毒、固液體積變化小和良好的熱力學(xué)及化學(xué)穩(wěn)定性，顯 示出巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)然，脂肪酸在固液相變時(shí)有滲漏的可能性，但近年來(lái)用相變材料和 附載的支持材料制備而成的定型相變材料已開(kāi)始被研究，結(jié)果表明可有效防止?jié)B漏。
[0004] 有研究表明，在選擇共晶相變材料時(shí)，其熔化和凝固溫度（即相變溫度)應(yīng)接近日 平均氣溫，且太陽(yáng)輻射和日最高溫度應(yīng)能夠使其發(fā)生相變，因此氣溫、建筑結(jié)構(gòu)和熱性質(zhì)均 會(huì)影響共晶相變材料的選擇。地球南北溫差較大，而利用共晶相變材料調(diào)節(jié)室內(nèi)氣溫變化 時(shí)，受當(dāng)?shù)販囟茸兓闹萍s，只有到達(dá)特定相變溫度的特定材料才可以發(fā)生其相變過(guò)程并 發(fā)揮效果；同時(shí)，只有在夜間溫度降低到低于這個(gè)相變溫度才可以進(jìn)行放熱過(guò)程，進(jìn)行循環(huán) 作用。因此，為不同氣溫、氣候的城市選擇不同的共晶相變材料十分必要，當(dāng)然還包括不同 溫度的組合安排。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之一在于需找一種適用范圍廣、節(jié)能降溫效果顯著， 可用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料。
[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之二在于提供上述及其制備方法用于建筑外墻節(jié)能 的共晶相變材料的制備方法。
[0007] 作為本發(fā)明第一方面的可用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料，其為月桂酸-肉豆 蔻酸-棕櫚酸三元共晶相變材料或月桂酸-棕櫚酸-硬脂酸三元共晶相變材料。
[0008] 在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述月桂酸-肉豆蔻酸-棕櫚酸三元共晶相變材料中 月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸三者之間的質(zhì)量比為2.786:1.801:1。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例 中，所述月桂酸-棕櫚酸-硬脂酸三元共晶相變材料中月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸三者之間的質(zhì) 量比為4.312:1.696:1。
[0009] 作為本發(fā)明第二發(fā)明的可用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料的制備方法，是首先 按計(jì)算質(zhì)量比準(zhǔn)確稱取月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸或月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸，分別混合均勻 為月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸三元共晶混合物或月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸三元共晶混合物，然 后分別油浴加熱至恒定的70°C，在磁力攪拌器中以180r/min攪拌30分鐘，以確?；旌暇矗?然后在磁力攪拌器中攪拌冷卻至室溫，變?yōu)楣虘B(tài)得到月桂酸-肉豆蔻酸-棕櫚酸三元共晶相 變材料或月桂酸-棕櫚酸-硬脂酸三元共晶相變材料。
[0010] 由于采用了如上的技術(shù)方案，本發(fā)明的可用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料節(jié)能 效果明顯并且適用范圍廣。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為CA-SA的DSC圖像示意圖。
[0012] 圖2為L(zhǎng)A-MA的DSC圖像示意圖。
[0013] 圖3為L(zhǎng)A-MA-PA的DSC圖像示意圖。
[0014] 圖4為L(zhǎng)A-PA-SA的DSC圖像示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 發(fā)明人選擇中國(guó)哈爾濱、上海、深圳等三個(gè)不同煒度的城市的氣溫作為典型，旨在 合成可應(yīng)用于三座典型城市的三種共晶相變材料，并對(duì)其熱性質(zhì)進(jìn)行表征。
[0016] 1.實(shí)驗(yàn)
[0017] 1.1 材料
[0018] 癸酸(CP)，月桂酸(CP)，肉豆蔻酸(CP)，棕櫚酸(AR)，硬脂酸(AR)(均為國(guó)藥集團(tuán)化 學(xué)試劑有限公司），其基本熱性質(zhì)見(jiàn)表1。
[0019] 表1
[0020]
[0021] 1.2合適相變溫度選取
[0022] 基于對(duì)典型城市氣溫、材料熱性質(zhì)的獨(dú)特性等各種情況的考慮，哈爾濱、上海、和 深圳被選擇為三個(gè)樣本城市，其月平均最高氣溫見(jiàn)表2。對(duì)于超過(guò)人體舒適氣溫（10°C-25 °C )的月份進(jìn)行分析，極端溫度都不超過(guò)35°C，對(duì)于哈爾濱其極端溫度都不超過(guò)32°C。總體 而言，超過(guò)26°C_34°C范圍的溫度基本不需要調(diào)節(jié)，因此選擇29°C、33°C作為預(yù)期的相變溫 度，對(duì)兩個(gè)溫度分別選擇相近的二元、三元相變材料。
[0023] 表2哈爾濱、上海、深圳月平均最高氣溫
[0025] 1.3脂肪酸質(zhì)量比理論計(jì)算
[0026]根據(jù)共晶點(diǎn)理論，兩種或三種脂肪酸按其共晶比例混合以達(dá)到最低共晶溫度，即 相變溫度。眾多研究表明，通過(guò)方程（1)計(jì)算出的理論質(zhì)量比與實(shí)際實(shí)驗(yàn)質(zhì)量比誤差極小， 基本確保達(dá)到共晶狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)所選用的脂肪酸，其二元、三元共晶質(zhì)量比及共晶相變溫度 根據(jù)下式(1)計(jì)算：
[0027] Tm=[l/T i-(R · lnXi)/Hi]-l(i=A，B，……) (1)
[0028] 其中，Xi為組分i的摩爾百分比，Hi和Ti分別為組分i的相變潛熱和相變溫度，Tm為 共晶相變材料的相變溫度，R為氣體常數(shù)(8.314J/K mo 1)。
[0029]通過(guò)計(jì)算摩爾百分比和脂肪酸摩爾質(zhì)量，確定二元和三元共晶相變材料的脂肪酸 質(zhì)量比和相變溫度，見(jiàn)表3和表4。
[0030]表 3
[0032]表 4
[0033]
[0034] 1.4共晶相變材料制備
[0035] 根據(jù)共晶相變材料的理論溫度計(jì)算和相變溫度的選擇，首先按計(jì)算質(zhì)量比準(zhǔn)確稱 取樣品，分別混合均勻?yàn)镃A-SA，LA-MA二元共晶混合物和LA-MA-PA，LA-PA-SA三元共晶混合 物，然后分別油浴加熱至恒定的70°C，在磁力攪拌器中以180r/min攪拌30分鐘，以確?；旌?均勻，然后在磁力攪拌器中攪拌冷卻至室溫，變?yōu)楣虘B(tài)。
[0036] 1.5共晶相變材料熱性質(zhì)測(cè)定
[0037] 利用差示掃描量熱儀(DSC，NETZSCH STA 449F3)，在100ml/min的恒定空氣流和5 °C /min的加熱速率下，測(cè)定了 CA-SA，LA-MA，LA-MA-PA，LA-PA-SA四組共晶相變材料的相變 溫度及相變潛熱(測(cè)定前須經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)樣本曲線的矯正），如圖1-圖4。
[0038] 2.結(jié)果與討論
[0039] 對(duì)于共晶相變材料的儲(chǔ)熱能力和應(yīng)用價(jià)值的表征，其相變潛熱與相變溫度是其中 主要的表征方式，且其熱性質(zhì)是重要的決定因素。相變溫度通過(guò)DSC圖像峰前緣最大斜率切 線與同側(cè)外推基線的切線相交得到，相變潛熱通過(guò)對(duì)相變峰的數(shù)值積分計(jì)算。
[0040] 2.1 CA-SA，LA-MA二元共晶相變材料的熱性質(zhì)表征
[00411 CA-SA的DSC圖像（圖1)顯示，CA-SA共晶相變材料的相變起始溫度(ts)、峰頂溫度 (七？）和終止溫度（以）分別為26.0°(：、30.8°(：和40.0°(：。相變溫度為30.8°(：，相變潛熱為 101.5J/g(圖1中陰影面積）ΙΑ-ΜΑ的DSC圖像（圖2)顯示，LA-MA共晶相變材料的相變起始溫 度（^)、峰頂溫度（〖？）和終止溫度（以）分別為32.2°(：、38.8°(：和52.8°(：。相變溫度為34.6 °C，相變潛熱為149.1 J/g(圖2中陰影面積）。
[0042] 2.2 LA-MA-PA，LA-PA-SA三元共晶相變材料的熱性質(zhì)表征
[0043] LA-MA-PA的DSC圖像（圖3)顯示，LA-MA-PA共晶相變材料的相變起始溫度(ts)、峰 頂溫度(tp)和終止溫度(te)分別為31.1°C、35.4 °C和48.1°C。相變溫度為31.1°C，相變潛熱 為130.9J/g(圖3中陰影面積）。LA-PA-SA的DSC圖像（圖4)顯示，LA-PA-SA共晶相變材料的相 變起始溫度(ts)、峰頂溫度(tp)和終止溫度(te)分別為31.5°C、35.7°C和49°C。相變溫度為 32.9 °C，相變潛熱為149.1 J/g(圖4中陰影面積）。
[0044] 2.3共晶相變材料熱性質(zhì)討論
[0045] 在選擇特定的共晶相變材料方案過(guò)程中，筆者等主要集中于對(duì)相變溫度及相變潛 熱的考察，并以此對(duì)29°C、33°C預(yù)期溫度的二元、三元共晶相變材料分別進(jìn)行比對(duì)。
[0046] 在大約29 °C溫度時(shí)，CA-SA共晶相變材料和LA-MA-PA共晶相變材料偏離預(yù)期溫度 誤差分別為6.21 %和7.24% (以攝氏溫標(biāo)計(jì)算），顯示出三元共晶相變材料在相變潛熱方面 有優(yōu)勢(shì)，相比二元共晶相變材料多出28.96 %的潛熱值。在大約33 °C溫度時(shí)，LA-MA共晶相變 材料和LA-PA-SA共晶相變材料偏離預(yù)期溫度誤差分別為4.54%和-0.30 % (以攝氏溫標(biāo)計(jì) 算），顯示出二者具有相同的相變潛熱，因三元共晶相變材料的溫度誤差較小，顯出較明顯 的優(yōu)勢(shì)。
[0047] 研究發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算中忽略的顯熱變化、實(shí)際試驗(yàn)中脂肪酸熱性質(zhì)的不同及附加載 體后載體對(duì)其影響，均會(huì)對(duì)共晶相變材料的實(shí)際相變溫度有一定影響。
[0048] 3.結(jié)論與展望
[0049] 共晶相變材料作為建筑外墻儲(chǔ)能材料的研究與應(yīng)用是建筑節(jié)能的新趨勢(shì)?；诠?晶點(diǎn)理論，對(duì)脂肪酸為支持材料的二元、三元共晶共晶相變材料進(jìn)行了制備，并采用DSC測(cè) 定其熱性質(zhì)表征，得出結(jié)論如下：
[0050] 1)基于哈爾濱、上海、深圳3個(gè)典型城市的月平均最高氣溫和人體舒適溫度分析， 選擇29°C和33°C作為預(yù)期共晶相變材料的相變溫度基本合適；
[0051] 2)根據(jù)理論計(jì)算，以 CA:SA = 7.923:1，LA:MA=1.474:1，LA:MA:PA = 2.786:1.801: 1，LA:PA:SA = 4.312:1.696:1的質(zhì)量比可制備肪酸為支持材料的二元、三元共晶共晶相變 材料。
[0052] 3)采用差示掃描量熱法(DSC)測(cè)定其熱性質(zhì)表征，CA-SA，LA-MA，LA-MA-PA，LA-PA- SA的相變溫度分別為30 · 8 °C、34 · 6 °C、31 · 1°C、32 · 9 °C，相變潛熱分別為 101 · 5J/g、149 · 1J/ g、130.9J/g、149.1J/g。
[0053] 4)二元和三元共晶相變材料均基本符合預(yù)期在建筑外墻中填充的溫度要求，相變 潛熱較混合前有明顯提高，其應(yīng)用價(jià)值得到提升，應(yīng)用效果相比混合共晶前更加明顯。以相 變材料發(fā)生一次完全相變計(jì)算，其相變潛熱約為132.7J/g，即每克脂肪酸可降低約0.04°C， 節(jié)能降溫效果顯著。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料，其特征在于，所述可用于建筑外墻節(jié)能的共晶 相變材料為月桂酸-肉豆蔻酸-棕櫚酸三元共晶相變材料或月桂酸-棕櫚酸-硬脂酸三元共 晶相變材料。2. 如權(quán)利要求1所述的用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料，其特征在于，所述月桂酸-肉豆蔻酸-棕櫚酸三元共晶相變材料中月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸三者之間的質(zhì)量比為 2.786：1.801：1〇3. 如權(quán)利要求1所述的用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料，其特征在于，所述月桂酸_ 棕櫚酸-硬脂酸三元共晶相變材料中月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸三者之間的質(zhì)量比為4.312: 1.696:1。4. 權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的用于建筑外墻節(jié)能的共晶相變材料的制備方 法，其特征是首先按計(jì)算質(zhì)量比準(zhǔn)確稱取月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸或月桂酸、棕櫚酸、硬脂 酸，分別混合均勻?yàn)樵鹿鹚?、肉豆蔻酸、棕櫚酸三元共晶混合物或月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸?元共晶混合物，然后分別油浴加熱至恒定的70°C，在磁力攪拌器中以180r/min攪拌30分鐘， 以確?；旌暇鶆?，然后在磁力攪拌器中攪拌冷卻至室溫，變?yōu)楣虘B(tài)得到月桂酸-肉豆蔻酸-棕櫚酸三元共晶相變材料或月桂酸-棕櫚酸-硬脂酸三元共晶相變材料。
【文檔編號(hào)】C09K5/06GK105950117SQ201610339318
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】季祥君, 羅開(kāi)誠(chéng), 高天潤(rùn), 陸晨剛, 喬秀臣
【申請(qǐng)人】季祥君, 上海市上海中學(xué)