一种相变调湿材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种相变调湿材料及其制备方法。该相变调湿材料由相变微胶囊、多孔调湿材料和水制成。所述相变微胶囊是以二氧化硅为壁材，由癸酸和十八烷酸制得混合相变材料为芯材；所述多孔调湿材料为火山石、海泡石或沸石。首先，由混合相变材料、十二烷基硫酸钠、一甲基三乙氧基硅烷、无水酒精、蒸馏水、盐酸和氨水，按照溶胶?凝胶法制得相变微胶囊，干燥处理，接着与相应比例的干燥处理过的多孔调湿材料混合；然后加水搅拌，充分混合后置入模具塑形，并干燥处理，即最终完成相变调湿材料的制备。本发明相变调湿材料，具有良好的防火和耐久性能，能够同时调节室内温度、湿度，有效提升室内空间舒适性，降低建筑整体能耗。
【专利说明】
一种相变调湿材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种相变调湿材料及其制备方法领域。
【背景技术】
[0002]随着经济社会的发展，人们对于建筑室内舒适性要求越来越高。室内空间温度、湿度是衡量舒适性的两个重要指标。在我国已出台的多个建筑设计、技术相关规范标准中，都有针对室内温度、湿度的相应规定。室内空间温度、湿度，受到来自建筑室内热源、湿源，如使用者、发热设备、产湿器具等，及建筑室外气候，如太阳辐射、空气温度、空气湿度、风环境、降水等因素，内外两方面干扰因素的综合影响。为了调控室内温度、湿度达到舒适区间，设计合理的建筑墙体结构构造与使用采暖通风空调系统调控成为最直接有效的两种方式。
[0003]当前，能源危机和气候、环境问题日趋严重。建筑行业耗费全球40%的能源，为了社会经济可持续发展，必需建造低能耗的绿色建筑。而建筑采暖通风空调系统耗能占据建筑总能耗的30%，最大限度减少建筑采暖通风空调用能成为必要。因此，以墙体结构构造为主的被动式调控手段需要起到更大的调控室内温度、湿度的功用。
[0004]近年来，在墙体构造中，使用相变材料，利用材料相变潜热进行“移峰填谷式”热量调节;使用多孔调湿材料，利用材料孔隙进行“高吸低放式”湿度调节，逐渐受到关注。在长江中下游等极端湿热气候区，如何结合相变材料与多孔调湿材料，同时调控温度、湿度，以更大程度减少机械设备用能，降低建筑能耗，成为亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]发明目的:提供一种相变调湿材料;及相变调湿材料的制备方法。
[0006]技术方案:一种相变调湿材料，由相变微胶囊、多孔调湿材料和水制成;所述相变微胶囊，壁材为二氧化硅，芯材为混合相变材料。所述多孔调湿材料为火山石、海泡石或沸石，优选为火山石;所述混合相变材料为癸酸和十八烷酸。
[0007]上述相变调湿材料的制备方法，包括以下操作步骤。
[0008]I利用溶胶凝胶法制备获得相变微胶囊，具体操作如下:
[0009]a)将癸酸和十八烷酸按比例混合，制得混合相变材料；
[0010]b)将混合相变材料、十二烷基硫酸钠SDS、蒸馏水按比例混合，保持在特定温度下，以特定速率磁力搅拌一定时间，获得相变材料微乳液；
[0011]C)将一甲基三乙氧基硅烷、无水酒精和蒸馏水按比例混合，添加盐酸调节PH值至
2-3，保持在特定温度下，以特定速率磁力搅拌一定时间。操作过程中，一甲基三乙氧基硅烷将发生水解反应，最终获得制备相变微胶囊的预聚体溶液；
[0012]d)将步骤b获得的相变材料微乳液在特定温度下，以特定速率搅拌，添加氨水调节微乳液的PH值到9-10;将步骤c获得的预聚体溶液逐渐滴入至微乳液中，继续搅拌一定时间。搅拌过程中，混合物有缩合反应产生二氧化硅。继而二氧化硅在混合物聚合过程后，将在相变材料微滴表面积聚生成，也即生成了相变微胶囊；
[0013]e)滤纸过滤、蒸馏水洗涤步骤d获得的相变微胶囊，接着在真空干燥箱中进行干燥处理，最终获得所需以二氧化娃Si02为壁材、以混合相变材料为
[0014]芯材的相变微胶囊。
[0015]2取适量多孔调湿材料置于真空干燥箱中，进行干燥处理。
[0016]3将步骤I获得的相变微胶囊和步骤2处理后的多孔调湿材料，按比例进行混合，接着加入到适量水中，室温下，以特定速率磁力搅拌一定时间，待充分混合。
[0017]4将步骤3获得的混合物倒入模具中塑形，并置于真空干燥箱，进行干燥处理，即最终获得相变调湿材料。
[0018]有益效果:
[0019]1、相变调湿材料具有调节室内温度，同时调节室内湿度的双重功能，将相变调湿材料应用在建筑外墙室内空间侧、室内隔墙、天花板等，可以有效降低室内空间的最大(显)热负荷、(潜热)湿负荷，减小室内空间的温度波动，从而提高室内空间的舒适性，并减小采暖通风空调系统能耗，创造低能耗建筑。
[0020]2、通过相变微胶囊与多孔调湿材料复合得到的相变调湿材料，兼具调温调湿双重功能，比单一具有调温或调湿功能的材料，能够更好满足以长江中下游为代表的极端湿热地区建筑舒适度提升、能耗节约等的需要。
[0021]3、通过实验测试得知，相变调湿材料样品，具有比初始相变材料更低的过冷度，有利于提高材料相变过程的效率。这是由于壁材S12充当了相变过程的晶核剂。
[0022]4、通过实验测试得知，相变调湿材料样品，具有比相应多孔调湿材料更大的湿输运系数与湿缓冲值，即表明本发明相变调湿材料具有更好的湿缓冲能力。这是由于相变微胶囊的加入，使得合成得到的相变调湿材料具有比相应多孔调湿材料更大的孔隙率。
[0023]5、本发明相变调湿材料具有良好的热稳定性，满足作为建筑材料的防火和耐久性能。满足了将本发明相变调湿材料直接、或作为装修材料的面层，应用在外墙内表面、隔墙、天花板等室内空间表面的基本条件。
【附图说明】
[0024]图1为具体实施例中所制相变微胶囊、相变调湿材料的由扫描电子显微镜监测得到的微观结构形态图。其中a指相变微胶囊、b指复合火山石相变调湿材料、c指复合海泡石相变调湿材料、d指复合沸石相变调湿材料。
[0025]图2为具体实施例中所制混合相变材料、相变微胶囊、相变调湿材料使用热重分析仪TGA测得的质量-温度曲线图。其中VCPCM指复合火山石相变调湿材料、SCPCM指复合海泡石相变调湿材料、ZCPCM指复合沸石相变调湿材料、CPCM指相变微胶囊、PCM指混合相变材料。
[0026]图3为具体实施例中相变调湿材料、相变微胶囊以及混合相变材料的DSC表征结果。其中VCPCM指复合火山石相变调湿材料、SCPCM指复合海泡石相变调湿材料、ZCPCM指复合沸石相变调湿材料、CPCM指相变微胶囊、PCM指混合相变材料。
[0027]图4为具体实施例中相变调湿材料、相变微胶囊以及混合相变材料的DSC表征结果。其中VCPCM指复合火山石相变调湿材料、SCPCM指复合海泡石相变调湿材料、ZCPCM指复合沸石相变调湿材料、CPCM指相变微胶囊、PCM指混合相变材料。
[0028]图5为具体实施例中多孔调湿材料、相变微胶囊以及作为对照的石膏板按照N0RDEST标准测试方法测得湿缓冲值。其中vesuvianite指火山石、VCPCM指复合火山石相变调湿材料、sep1li te指海泡石、SCPCM指复合海泡石相变调湿材料、zeol i te指沸石、ZCPCM指复合沸石相变调湿材料、gypsum指石膏板。
[0029]图6为具体实施例中多孔调湿材料、相变微胶囊以及作为对照的石膏板测得湿传输系数。其中vesuvianite指火山石、VCPCM指复合火山石相变调湿材料、sep1lite指海泡石、SCPCM指复合海泡石相变调湿材料、zeol i te指沸石、ZCPCM指复合沸石相变调湿材料、gypsum指石膏板。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0031]实施例1
[0032]1、利用溶胶凝胶法(sol-gel method)制备获得相变微胶囊，具体操作如下:
[0033]a)将癸酸17.5g和十八烷酸2.5g混合，得到混合相变材料20g;
[0034]b)取步骤a得到的相变材料混合物20g，与十二烷基硫酸钠2.5g、蒸馏水75ml依次放入烧杯中混合，保持温度在35 0C，以600转/分钟的速率搅拌0.5h;之后保持温度在23 V，以600转/分钟的速率再搅拌0.5h，获得相变材料微乳液；
[0035]c)将一甲基三乙氧基硅烷20g、无水酒精20g和蒸馏水37.5ml依次放入烧杯中混合，通过添加盐酸调节PH值至2-3，保持温度在50°C，以500转/分钟的速率搅拌20分钟。经过水解反应后的溶液Y备用，作为制备相变微胶囊的预聚体溶液；
[0036]d)将步骤b获得的相变材料微乳液温度保持在35°C，以400转/分钟的速率搅拌，添加氨水调节微乳液的PH值到9-10;将步骤c获得的溶液B逐渐滴入至微乳液中，继续搅拌2h。搅拌过程中发生缩合反应、聚合反应，生成相变微胶囊；
[0037]e)通过滤纸过滤、蒸馏水洗涤等将步骤d获得的相变微胶囊提取出来，接着在真空干燥箱中进行干燥处理，保持温度在O V，干燥处理过程持续24h ο最终获得所需以二氧化硅S12为壁材、以癸酸和十八烷酸混合物为芯材的相变微胶囊。
[0038]2、对多孔调湿材料进行干燥处理:取适量粉状火山石，放置在真空干燥箱中，保持温度在100 °c，干燥处理过程持续I Oh。
[0039]3、分别称取步骤I获得的相变微胶囊40g和步骤2处理后的火山石120g，加入到320ml的蒸馏水中，在室温下以200转/分钟的速率搅拌5分钟，待充分混合。
[0040]4、将步骤3获得的混合物，倒入模具中塑形，并放置在真空干燥箱中，保持温度在O0C，干燥处理过程持续48h，即最终完成制备过程，获得相变调湿材料。所得相变调湿材料中相变材料质量占比11.9%，二氧化硅质量占比13.1%，火山石质量占比75.0%。
[0041 ] 实施例2
[0042]1、利用溶胶凝胶法(sol-gel method)制备获得相变微胶囊，具体操作如下:
[0043]a)将癸酸35.2g和十八烷酸4.Sg混合，得到混合相变材料40g;
[0044]b)取步骤a得到的相变材料混合物40g，与十二烷基硫酸钠5g、蒸馏水150ml依次放入烧杯中混合，保持温度在35°C，以600转/分钟的速率搅拌0.5h;之后保持温度在23°C，以600转/分钟的速率再搅拌0.5h，获得相变材料微乳液；
[0045]c)将一甲基三乙氧基硅烷40g、无水酒精40g和蒸馏水75ml依次放入烧杯中混合，通过添加盐酸调节PH值至2-3，保持温度在50°C，以500转/分钟的速率搅拌20分钟。经过水解反应后的溶液Y备用，作为制备相变微胶囊的预聚体溶液；
[0046]d)将步骤b获得的相变材料微乳液温度保持在35°C，以400转/分钟的速率搅拌，添加氨水调节微乳液的PH值到9-10;将步骤c获得的溶液B逐渐滴入至微乳液中，继续搅拌2h。搅拌过程中发生缩合反应、聚合反应，生成相变微胶囊；
[0047]e)通过滤纸过滤、蒸馏水洗涤等将步骤d获得的相变微胶囊提取出来，接着在真空干燥箱中进行干燥处理，保持温度在O V，干燥处理过程持续24h ο最终获得所需以二氧化硅S12为壁材、以癸酸和十八烷酸混合物为芯材的相变微胶囊。
[0048]2、对多孔调湿材料进行干燥处理:取适量粉状海泡石，放置在真空干燥箱中，保持温度在100 °c，干燥处理过程持续I Oh。
[0049]3、分别称取步骤I获得的相变微胶囊40g和步骤2处理后的海泡石160g，加入到500ml的蒸馏水中，在室温下以200转/分钟的速率搅拌5分钟，待充分混合。
[0050]4、将步骤3获得的混合物，倒入模具中塑形，并放置在真空干燥箱中，保持温度在O0C，干燥处理过程持续48h，即最终完成制备过程，获得相变调湿材料。所得相变调湿材料中相变材料质量占比10.5%，二氧化硅质量占比9.5%，海泡石质量占比80.0%。
[0051 ] 实施例3
[0052]1、利用溶胶凝胶法(sol-gel method)制备获得相变微胶囊，具体操作如下:
[0053]a)将癸酸64g和十八烷酸Sg混合，得到混合相变材料72g;
[0054]b)取步骤a得到的相变材料混合物72g，与十二烷基硫酸钠9g、蒸馏水270ml依次放入烧杯中混合，保持温度在35°C，以600转/分钟的速率搅拌0.5h;之后保持温度在23°C，以600转/分钟的速率再搅拌0.5h，获得相变材料微乳液；
[0055]c)将一甲基三乙氧基硅烷72g、无水酒精72g和蒸馏水135ml依次放入烧杯中混合，通过添加盐酸调节PH值至2-3，保持温度在50°C，以500转/分钟的速率搅拌20分钟。经过水解反应后的溶液Y备用，作为制备相变微胶囊的预聚体溶液；
[0056]d)将步骤b获得的相变材料微乳液温度保持在35°C，以400转/分钟的速率搅拌，添加氨水调节微乳液的PH值到9-10;将步骤c获得的溶液B逐渐滴入至微乳液中，继续搅拌2h。搅拌过程中发生缩合反应、聚合反应，生成相变微胶囊；
[0057]e)通过滤纸过滤、蒸馏水洗涤等将步骤d获得的相变微胶囊提取出来，接着在真空干燥箱中进行干燥处理，保持温度在O V，干燥处理过程持续24h ο最终获得所需以二氧化硅S12为壁材、以癸酸和十八烷酸混合物为芯材的相变微胶囊，如图Ι-a所示。
[0058]2、对多孔调湿材料进行干燥处理:取适量粉状沸石，放置在真空干燥箱中，保持温度在100°C，干燥处理过程持续I Oh。
[0059]3、分别称取步骤I获得的相变微胶囊40g和步骤2处理后的沸石200g，加入到720ml的蒸馏水中，在室温下以200转/分钟的速率搅拌5分钟，待充分混合。
[0060]4、将步骤3获得的混合物，倒入模具中塑形，并放置在真空干燥箱中，保持温度在O0C，干燥处理过程持续48h，即最终完成制备过程，获得相变调湿材料。所得相变调湿材料中相变材料质量占比7.5%，二氧化硅质量占比9.2%，沸石质量占比83.3%。
[0061]分别取实施例1?实施例3所制相变调湿材料，由扫描电子显微镜监测微观结构形态，显微镜型号为S-3400NII ο扫描结果如图1所示。
[0062]分别取实施例1?实施例3所制相变调湿材料进行TGA测试，所用测试仪型号为Pyris 1TGA。测试结果如图2所示。其中实施例1所得复合火山石相变调湿材料初始降解温度为175°C，残炭量87.9% ;实施例2所得复合海泡石相变调湿材料初始降解温度为175°C，残炭量87.1% ;实施例3所得复合沸石相变调湿材料初始降解温度为175°C，残炭量88.7%。
[0063]分别取实施例1?实施例3所制相变调湿材料进行DSC测试，所用测试仪型号为Pyris 1DSC。测试结果如图3、图4所示。分析知实施例1所得复合火山石相变调湿材料，相变熔点温度为26.9°C，熔化潜热为14.lkj/kg，相变凝固点温度为25.2°C，熔化潜热为14.4kJ/kg；；实施例2所得复合海泡石相变调湿材料，相变熔点温度为26.8°C，熔化潜热为15.4kJ/kg，相变凝固点温度为25.2°C，熔化潜热为15.9kJ/kg;实施例3所得复合沸石相变调湿材料的相变熔点温度为27.TC，熔化潜热为12.9kJ/kg;相变凝固点温度为25.TC，熔化潜热为13.2kJ/kgo
[0064]分别取实施例1?实施例3所制相变调湿材料进行湿传输系数测试，测试结果如图5所示。其中实施例1所得复合火山石相变调湿材料的湿传输系数为12.12X10—8kg/m.s.RH;实施例2所得复合海泡石相变调湿材料的湿传输系数为9.11 X10—8kg/m.s.RH;实施例3所得复合沸石相变调湿材料的湿传输系数为7.54X10—8kg/m.s.RH。
[0065]分别取实施例1?实施例3所制相变调湿材料进行湿缓冲值测试，测试结果如图6所示。其中实施例1所得复合火山石相变调湿材料的湿缓冲值为1.145g/V%RH;实施例2所得复合海泡石相变调湿材料的湿缓冲值为0.78g/m2%RH;实施例3所得复合沸石相变调湿材料的湿缓冲值为0.514g/m2%RH。
【主权项】
1.一种相变调湿材料，其特征在于由相变微胶囊、多孔调湿材料和水制成;所述相变微胶囊和多孔调湿材料质量之比为1:3?1: 5;所述相变微胶囊和多孔调湿材料的总质量与水质量之比为1:2?1:3。2.根据权利要求1所述的相变调湿材料，其特征在于，所述相变微胶囊，壁材为二氧化硅，芯材为混合相变材料。3.根据权利要求2所述的相变调湿材料，其特征在于，所述混合相变材料是由癸酸和十八烷酸按质量比7:1?8:1混合制得。4.根据权利要求1所述的相变调湿材料，其特征在于，所述多孔调湿材料为火山石、海泡石或沸石。5.权利要求1所述的一种相变调湿材料的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤: (1)利用溶胶凝胶法制备获得相变微胶囊，具体操作如下: A、将癸酸和十八烷酸按比例混合，制得混合相变材料； B、将混合相变材料、十二烷基硫酸钠和蒸馏水混合，水浴加热至350C，600转/分钟磁力搅拌30分钟;之后调节水浴温度为23 °C，600转/分钟继续磁力搅拌30分钟，获得相变材料微乳液； B、将一甲基三乙氧基硅烷、无水酒精和蒸馏水混合，通过添加盐酸调节PH值在2-3范围，水浴加热至50°C，500转/分钟磁力搅拌20分钟，最终获得制备相变微胶囊的预聚体溶液； C、将相变材料微乳液，水浴加热至35°C，400转/分钟磁力搅拌，添加氨水调节微乳液的PH值到9-10;将预聚体溶液逐渐滴入至微乳液中，磁力搅拌2h即生成相变微胶囊;提取出相变微胶囊，进行干燥处理，最终获得以二氧化硅为壁材、以混合相变材料为芯材的相变微胶嗇 ο (2)取适量多孔调湿材料进行干燥处理;所述多孔调湿材料为火山石、海泡石、沸石； (3)将相变微胶囊、多孔调湿材料和蒸馏水按比例混合，正常室温下，200转/分钟磁力搅拌5分钟，待充分混合，置入模具中塑形，干燥处理，即最终完成制备过程，获得相变调湿材料。
【文档编号】C04B30/00GK105837161SQ201610173972
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】秦孟昊, 陈智, 张明杰
【申请人】南京大学