改进的相变组合物的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及更均一的含三水乙酸钠的相变材料、所述材料的制备方法、以及它们 在相变系统中的实用性。更特别地，本发明涉及相变组合物的应用，该相变组合物包括三水 乙酸钠、用于抑制在含三水乙酸钠的相变材料中形成无水乙酸钠结晶的至少一种碱溶性聚 合物、以及至少一种三水乙酸钠成核促进剂。
[0002] 发明背景
[0003] 市面上有很多加热冷却系统，其中多数都依赖于化石燃料。随着对更环保系统的 需求不断增加，提出了基于太阳光或水的各种可选择的系统，诸如，例如太阳光电、太阳能 热发电机、水力电气、波浪发电和生物燃料。
[0004] 所有的太阳能驱动可再生能量转换设备、一些水驱动设备以及风力涡轮机的共同 问题在于它们不能"按需"运行，因为太阳不是总在照耀，海浪并不总是很高，风并不一直 吹。这意味着有时这些被称为间歇可再生能源产生的电力将不易并入它们相应的本地电网 中，正因如此已提出许多存储方案。
[0005] 在W02009/138771中提出的热能存储系统在可用时，将从间歇可再生能源获得 的过剩电能转换为热能或冷能，在蓄热器中储存这样转换的热能或冷能，然后用相变材料 (PCM)通过它们固有的固-液相变化的性能，影响能量转换，将其按需转为有用的热能或冷 能。
[0006] 对于家庭情况的实际应用，需要这样的相变材料，该相变材料能够供应只比个体 所需热水的舒适水平温度略高的温水，或甚至热水。此外，适用于这种实际应用的相变材料 在它们相变时向内以及向外的热传递速率应该与家庭使用相称，并且传递可接受的热力学 稳定性水平（效率）。
[0007] 三水乙酸钠（SAT)在用于家庭应用所期望的温度范围内可固-液相变。但是，SAT 作为相变材料（PCM)的实际应用受限于在设定温度58°C，从固体SAT熔化为液体SAT与固 体（乙酸钠/SA)混合物的独特不一致的方式。不能在58°C获得完全液态溶液是个问题， 其体现在水溶液在初始加热时的热力学稳定性、以及依照相变系统中的正常加热/冷却循 环，在冷却后重加热获得的再形成水溶液的热力学稳定性中。
[0008] 在熔融过程中形成固体对于SAT用作PCM是个问题，因为这个固体SA-经形成， 通常将保留在相变系统的PCM的整个使用期中。
[0009] 之前克服这个问题的尝试是通过应用三维交联聚合物，比如纤维素基聚合物和高 吸水性聚合物，来作为固体支撑物，该尝试并未成功，因为不管初始的固体形成明显减少， 固体乙酸钠形成的潜在问题并未解决，随着时间推移固体乙酸钠仍将从溶液中沉淀出，不 可逆地聚集在PCM存储容器的底部。对于作为PCM应用，具有有限使用期的方案不可接受。
[0010] 本发明的至少一方面的目的在于消除或减轻至少一个或多个前述问题，该问题与 三水乙酸钠作为潜在PCM用于水相变系统中的应用有关。
[0011] 本发明的至少一方面的目的在于提供含三水乙酸钠的改进的相变材料，该相变材 料具有理想的均一性、抗SA形成性，在相变系统中适用。
[0012] 本发明的至少一方面的目的在于提供含三水乙酸钠的改进的相变材料，该相变材 料可以重复循环地被加热、冷却、再加热，并保有热力学稳定性。
[0013] 申请人开发了新型的创造性的用作相变材料的水状组合物，其包括：三水乙酸钠； 用于抑制在含三水乙酸钠的相变材料中形成无水乙酸钠结晶的至少一种碱溶性聚合物；以 及至少一种三水乙酸钠成核促进剂。申请人还开发了所述改进的相变材料的制备方法。
【发明内容】
[0014]申请人开发了新型的创造性的相变组合物，该相变组合物作为相变材料，含三水 乙酸钠。
[0015] 相应地，本发明提供了作为相变材料的含三水乙酸钠组合物，其包括：
[0016] (a)三水乙酸钠或无水乙酸钠；
[0017] (b)至少一种适合的碱溶性聚合物；
[0018] (c)至少一种适合的成核促进剂；以及
[0019] (d)水。
[0020] 如下文实施例所展示，申请人意外地发现，本发明作为相变材料的含三水乙酸钠 组合物在均一性和热力学稳定性上，比起以前使用三水乙酸钠作为PCM能够实现的，展现 出前所未有的提高。特别地，申请人发现本发明作为相变材料的含三水乙酸钠组合物在加 热和冷却时，抗结晶乙酸钠成核。
[0021] 根据另一方面，本发明提供了一种根据本发明的组合物作为适用于相变系统中的 相变材料的应用。
[0022] 申请人还开发了一种新型的制备根据本发明的组合物的方法。根据另一方面，本 发明提供了作为相变材料的含三水乙酸钠组合物的制备方法，其包括：
[0023](a)将含无水乙酸钠的水溶液、至少一种适合的碱溶性聚合物和至少一种成核促 进剂混合；
[0024](b)加热所得混合物，以提供58°C的含三水乙酸钠的相变材料。
[0025] 当使用三水乙酸钠时，遵循下列步骤：
[0026] (a)将三水乙酸钠加热至温度超过58°C;以及
[0027](b)将三水乙酸钠、至少一种适合的碱溶性聚合物和至少一种成核促进剂混合。
[0028] 附图简要说明
[0029] 参照附图，将对本发明的实施方式仅作为范例进行描述，其中：
[0030] 图1为乙酸钠和水的相图，其示出在约58°C时，乙酸钠在水中的溶解极限为约 58. 0%，然而相应的在58°C熔化的三水乙酸钠由60. 28%的SA和39. 72%的水组成，点2指 出的值明显高于在58°C的溶解极限。
[0031] 图2为提出的机理，其中聚合物与高亚稳定亚临界乙酸钠分子簇的表面相互作 用，通过阻断机理防止或阻止进一步生长成微晶，并因此在适当的时候沉淀该物质。
[0032] 图3展现了通过添加各种水平的乙酰胺所获得的结晶温度。
【具体实施方式】
[0033]根据本发明的新型组合物为作为相变材料的水状组合物，该水状组合物含三水乙 酸钠NaOAc·3Η20,也被称为SAT。无水乙酸钠，也被称为SA，其任意形式可用于制备根据本 发明的作为PCM的含SAT新型组合物。为避免疑义，这意味着因为NaOAc的所有固体形式 都为晶体，因此可使用任何晶形。
[0034] 在制备根据本发明的水状组合物中使用的无水乙酸钠水平为组合物总重量的约 40%至约60%之间。这对应于在本发明的水状组合物中，三水乙酸钠的相对量为约66%至 约100%。为避免疑义，根据本发明的组合物基本不含固体无水乙酸钠，并更优选不含固体 无水乙酸钠。
[0035] 为避免疑义，当在本文中所述的根据本发明的任意特定组合物中，未详细说明水 的实际量或相对量时，应当理解为，所需水的实际量或相对量无论按重量计或相对体积计， 都将足以使组合物达到100%。可使用纯净水、蒸馏水或正常供应的水。
[0036] 如上文所指出，尽管在对于家庭加热目的所期望温度范围内具有相变，迄今将三 水乙酸钠应用为潜在的PCM仍然会受到阻碍，因为其内部熔化不一致。在熔化过程中，在设 定温度58°C下，三水乙酸钠从固体SAT转变至液体SAT和固体的混合物。这是因为形成了 无水乙酸钠NaOAc或SA。为避免疑义，当本文使用乙酸钠或SA这个词时，其指的是无水乙 酸钠，其不同于任何含水形式，或特别地三水乙酸钠SAT。如图1乙酸钠和水的相图中点1 所指示，在约58°C时乙酸钠在水中的溶解极限为约58. 0%，然而相应的在58°C熔化的三水 乙酸钠由60. 28%的SA和39. 72%的水组成，图1中点2指出的值明显高于在58°C的溶解 极限。当在水状SAT熔化期间形成SA，可通过添加更多的水恢复全液态，将组合物改变为 58%SA的组合物，并溶解无水SA，由此在58°C提供全液体材料。如此制备的溶液热力学稳 定，即其不在亚稳区，也不在过饱和区，因此没有额外的固体物质（SA)会结晶。
[0037] 如上文所阐述，这种恢复的包括水和三水乙酸钠的液体溶液不适合用作相变剂， 因为其不能被冷却然后重加热来提供热力学稳定的均一液体。如下文所阐述的实施例，申 请人发现，当这种溶液冷却，并有一些三水乙酸钠晶种时，形成三水乙酸钠的固体样品。申 请人还发现当这种冷却溶液又被加热至58°C时，形成具有一些固体无水乙酸钠SA的溶液