专利名称：一种多元脂肪酸定形相变材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种多元脂肪酸定形相变材料及其制备方法，属于建筑节能和储热材料领域。
背景技术：
随着世界能源危机的日益加剧，人们越来越关注能源的有效利用。相变材料是可以在一定温度范围内改变其物理状态且吸收或释放大量能量的一种物质。例如固-液相变材料，当环境温度高于其相变温度时，它将从固态转变为液态，同时吸收并储存大量的潜热；而当环境温度再次降低时，相变材料又进行从液态到固态的逆相变，并将储存的热量再次释放到环境中去。如此反复发生物理状态变化时，相变材料自身特性几乎不变，但可以将环境温度维持在一定的范围内，减少热量损失，有效提高能源的利用率。
脂肪酸作为非石蜡类有机相变材料，因其具有高熔融焓、不易燃、相变过程体积膨胀率小以及好的热稳定性和化学稳定性等优点，在建筑节能和日常生活方面得到广泛应用。但是，大多数脂肪酸的熔点高于应用环境的温度要求范围，因此常常需要用二元或多元混合脂肪酸来代替单一的脂肪酸以满足应用环境要求。施罗德公式是确定二元复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复合脂肪酸配比的确定则需要大量的实验，通过测定不同配比下产品的性质来筛选出适宜的多元脂肪酸相变材料。
定形相变材料通常是由相变物质和各种多孔材料组合而成，利用多孔介质内部的小孔隙将相变物质分散成小颗粒以储存，借助毛细管效应提高相变物质在多孔介质中储存的稳定性，进而使相变材料发生相变时能保持一定的形状，不会出现泄漏现象。同时利用多孔介质导热率高的特点还可以提高相变材料的换热效率。与普通相变材料相比，定形相变材料具有封装成本低，传热热阻小，不易泄漏，使用安全等优点。
中国专利文件CN101838521A(申请号201010169075. 4)公开了一种以皂土为基体，以二元脂肪酸为相变储能主体的复合相变储能材料的制备方法，该方法首先对皂土进行改性处理，然后用豆蔻酸和棕榈酸或者用月桂酸和豆蔻酸制备二元脂肪酸低共熔物，最后将改性皂土、二元脂肪酸和无水乙醇混合、加热、搅拌、干燥至恒重，即得二元脂肪酸/皂土复合相变材料。该复合相变材料的相变点偏高，尤其是用月桂酸和豆蔻酸制备二元脂肪酸低共熔体系时，最终所得复合相变材料的相变温度高达36°C，使二元脂肪酸/皂土复合相变材料的应用受到了限制。发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种相变温度较低的多元脂肪酸定形相变材料及其制备方法。
本发明的技术方案如下
一种定形相变材料，由多元脂肪酸和污泥陶粒按以下重量百分比复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为癸酸、月桂酸、豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸中的三种或三种以上的共熔混合物；所述污泥陶粒是以粘土和污水处理厂干化后的污泥为原料，按粘土 干化后的污泥=(8. 8 9. 2) (1. 2 0. 8)质量比混合、造粒、在920 970°C下烧制而成。
根据本发明优选的，所述的多元脂肪酸为癸酸/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/棕榈酸/硬脂酸四元共熔混合物。
本发明定形相变材料的制备方法，步骤如下
将污泥陶粒在高于多元脂肪酸共熔混合物相变点10 20°C的温度下抽真空30 100分钟，真空度为0. 08 0. IOMPa ；加入熔化的多元脂肪酸共熔混合物；升至常压，使液态多元脂肪酸共熔混合物逐渐渗入污泥陶粒中，吸附渗入时间为60 150分钟；降温，即得多元脂肪酸/污泥陶粒定形相变材料。
上述原料中多元脂肪酸共熔混合物与污泥陶粒均可按现有技术制备。本发明优选以下制备方法
(1)多元脂肪酸的制备
a.按照由施罗德公式(InX4)计算出的二元脂肪酸共熔混合物的配lilA1比将癸酸、月桂酸、豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸中的任选两种混合，以两者中较高的熔点为基准 T。，在L+lOt 1+201的水浴条件下将该两种脂肪酸的混合物加热搅拌30 60分钟，超声2 5分钟后得到二元脂肪酸共熔混合物；
b.测定所得二元脂肪酸共熔混合物的相变点和对应焓值，并按照混合配比计算其理论分子质量；将该二元脂肪酸共熔混合物作为单一脂肪酸按照施罗德公式与第三种脂肪酸进行混合，方法如步骤a所述，得到三元脂肪酸共熔混合物；以此类推，由三元脂肪酸共熔混合物和第四种脂肪酸混合，可得到四元脂肪酸共熔混合物，以此类推，进而得多元脂肪酸共熔混合物。
多元脂肪酸的元数越多，所得共熔混合物熔点越低，根据使用环境温度而定；综合考虑制备工艺的复杂性和共熔混合物熔点的适用性，一般优选为二元、三元、四元脂肪酸共熔混合物。特别优选三元脂肪酸共熔混合物。
[2]污泥陶粒的制备将烘干后的粘土和干化后的污泥按(8. 8 9. 2) (1. 2 0. 8)质量比混合均勻混合、按现有技术造粒，在920 970°C下烧结，过筛，制得粒径为5 8mm的污泥陶粒。
根据本发明，优选的方案如下
优选的方案一、
(1)按照施罗德公式计算出豆蔻酸和硬脂酸二元脂肪酸的最佳混合质量比为 72. 66%与27. 34%，将豆蔻酸和硬脂酸按该配比混合，85°C水浴条件下将这两种脂肪酸的混合物加热搅拌50分钟，超声3分钟后得豆蔻酸/硬脂酸二元共熔混合物；测定豆蔻酸 /硬脂酸的二元共熔混合物相变温度为47. 55°C，相变潜热为182. 3J/g，计算得其理论分子质量为Ml. 39 ；将该二元脂肪酸共熔混合物看作是单一的脂肪酸，然后与月桂酸进行复合，根据施罗德公式计算可知，二元脂肪酸共熔混合物和月桂酸的最佳混合质量比为49%与51% ；按照该配比混合后，65°C水浴条件下将其加热搅拌50分钟，超声3分钟后得月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物。
(2)将粘土 污泥=9 1质量比的污泥陶粒在50°C下抽真空40分钟，真空度为 0. 098MPa ；加入已经熔化的月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物；升至常压，三元共熔混合物渗入污泥陶粒120分钟；降温，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相变材料。
优选的方案二、
(1)按照施罗德公式计算出月桂酸和豆蔻酸的最佳混合质量比为 65. 08% 34. 92%，将月桂酸和豆蔻酸按该配比混合，65°C水浴条件下将这两种脂肪酸的混合物加热搅拌60分钟，超声2分钟后得月桂酸/豆蔻酸二元共熔混合物；测定月桂酸/豆蔻酸的二元共熔混合物相变温度为35. 10°C，相变潜热为210. 2J/g，计算得其理论分子质量为209. 30 ；将该二元脂肪酸共熔混合物看作是单一的脂肪酸，然后与癸酸进行复合，根据施罗德公式计算可知，二元脂肪酸共熔混合物和癸酸的最佳混合质量比为 47.6% 52. 4% ；按照该配比混合后，50°C水浴条件下将其加热搅拌60分钟，超声2分钟后得癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物。
(2)将粘土 污泥=8.9 1. 1质量比的污泥陶粒在40°C下抽真空50分钟，真空度为0. 095MPa ；加入已经熔化的癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物；升至常压，三元共熔混合物渗入污泥陶粒100分钟；降温，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相变材料。
与现有产品和技术相比，本发明的优势在于
1、本发明以污泥陶粒为多孔基质，以多元脂肪酸共熔物为相变储能主体制备定形相变材料，所提供的相变材料，其相变温度范围在15 34°C，具体相变温度可由脂肪酸的种类和配比进行控制，适用于民用建筑的室温调节。夏季可减少空调耗电，冬季白天储存太阳光热量，晚上释放蓄存的热量，节约供暖系统能耗。
2、本发明所提供的多元脂肪酸共熔混合物的配比确定方法，方便有效，无需进行大量实验逐一筛选，节约生产成本。先按照施罗德公式合成二元脂肪酸共熔物，测定其相变温度和相变潜热，计算其理论分子质量；然后把二元脂肪酸共熔物看作单一脂肪酸，与第三种脂肪酸按照施罗德公式合成三元脂肪酸共熔物，进而得多元脂肪酸共熔物。
3、本发明以污泥陶粒为多孔基质，可大量利用污泥，一方面促进了污水处理厂污泥的废物资源化，另一方面巧妙利用了污泥陶粒的高孔隙率特性，增加相变物质在多孔基质中的吸附量，提高了单位体积定形相变材料的节能效率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。实施例中所用的污泥陶粒是粘土 污泥 -9. 2) (1. 2 0. 8)质量比混合造粒，在970°C下烧结制得，粒径为5 8mm。 实施例中脂肪酸的二元复合配比可以按照施罗德公式直接确定，具体方程式如=(8.8
下
InX4 =InXs =^HafiηRk~τ)^HbfiηR~τ)
XA+XB = 1
其中Δ Ha和Δ Hb分别为A、B两种脂肪酸的摩尔熔融焓；ΤΑ和Tb分别为A、B两种脂肪酸的熔点；T为A、B两种脂肪酸的共熔点Aa和&分别为A、B两种脂肪酸共熔时在混合物中所占摩尔比。
实施例1、
(1)根据施罗德公式计算出豆蔻酸和硬脂酸的最佳混合质量比为 72. 66% 27. 34%，将豆蔻酸和硬脂酸按该配比混合，85°C水浴条件下将这两种脂肪酸的混合物加热搅拌50分钟，超声3分钟后得豆蔻酸/硬脂酸二元共熔混合物。
(2)用差示扫描量热法测定豆蔻酸/硬脂酸的二元共熔混合物，相变温度为 47. 55°C，相变潜热为182. 3J/g，计算得其理论分子质量为Ml. 39 ；将该二元脂肪酸共熔混合物看作是单一的脂肪酸，然后与月桂酸进行复合，根据施罗德公式计算可知，二元脂肪酸共熔混合物和月桂酸的最佳混合质量比为49%/51%;按照该配比混合后，65°C水浴条件下将其加热搅拌50分钟，超声3分钟后得月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物，其相变温度为31.47°C，相变潜热为171.2J/g。
(3)将粘土 污泥=9 1质量比的污泥陶粒在50°C下抽真空40分钟，真空度为 0. 098MPa ；加入已经熔化的月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物；将系统升至常压，三元共熔混合物渗入污泥陶粒120分钟；降温，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相变材料。用差示扫描量热法测定，其相变温度为31. 53°C，相变潜热为59. 05J/g。
实施例2、
(1)根据施罗德公式计算出月桂酸和豆蔻酸的混合质量比为65. 08% 34. 92%, 将月桂酸和豆蔻酸按该配比混合，65°C水浴条件下将这两种脂肪酸的混合物加热搅拌60 分钟，超声2分钟后得月桂酸/豆蔻酸二元共熔混合物。
(2)用差示扫描量热法测定月桂酸/豆蔻酸的二元共熔混合物，相变温度为 35. 10°C，相变潜热为210. 2J/g，计算得其理论分子质量为209. 30 ；将该二元脂肪酸共熔混合物看作是单一的脂肪酸，然后与癸酸进行复合，根据施罗德公式计算可知，二元脂肪酸低共熔混合物和癸酸的最佳混合质量比为47. 6% /52. 4%;按照该配比混合后，50°C水浴条件下将其加热搅拌60分钟，超声2分钟后得癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物，其相变温度为17. 05°C，相变潜热为203. 7J/g。
(3)将粘土 污泥=8.9 1. 1质量比的污泥陶粒在40°C下抽真空50分钟，真空度为0. 095MPa ；加入已经熔化的癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物；将系统升至常压， 三元共熔混合物渗入污泥陶粒100分钟；降温，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相变材料。 用差示扫描量热法测定，其相变温度为17. 10°C，相变潜热为68. OJ/g。
权利要求
1.一种定形相变材料，其特征在于由多元脂肪酸和污泥陶粒按以下重量百分比复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为癸酸、月桂酸、豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸中的三种或三种以上的共熔混合物；所述污泥陶粒是以粘土和污水处理厂干化后的污泥为原料，按粘土 干化后的污泥=(8. 8 9. 2) (1. 2 0. 8)质量比混合、造粒，在920 970°C下烧制而成。
2.如权利要求1所述的定形相变材料的制备方法，其特征在于，所述的多元脂肪酸为癸酸/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/棕榈酸/硬脂酸四元共熔混合物。
3.权利要求1所述的定形相变材料的制备方法，步骤如下将污泥陶粒在高于多元脂肪酸共熔混合物相变点10 20°C的温度下抽真空30 100 分钟，真空度0. 08 0. IOMPa ；加入熔化的多元脂肪酸共熔混合物；升至常压，使液态多元脂肪酸共熔混合物逐渐渗入污泥陶粒中，吸附渗入时间为60 150分钟；降温，即得多元脂肪酸/污泥陶粒定形相变材料。
4.如权利要求3所述的定形相变材料的制备方法，其特征在于，所述多元脂肪酸的制备步骤如下a.按照由施罗德公式(In )计算出的二元脂肪酸共熔混合物的配比将lilA1癸酸、月桂酸、豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸中的任选两种混合，以两者中较高的熔点为基准Tci， 在TfKTC ！>201的水浴条件下将该两种脂肪酸的混合物加热搅拌30 60分钟，超声 2 5分钟后得到二元脂肪酸共熔混合物；b.测定所得二元脂肪酸共熔混合物的相变点和对应焓值，并按照混合配比计算其理论分子质量；将该二元脂肪酸共熔混合物作为单一脂肪酸按照施罗德公式与第三种脂肪酸进行混合，方法如步骤a所述，得到三元脂肪酸共熔混合物；以此类推，由三元脂肪酸共熔混合物和第四种脂肪酸混合，可得到四元脂肪酸共熔混合物，以此类推，进而得多元脂肪酸共熔混合物。
5.如权利要求3所述的定形相变材料的制备方法，其特征在于，步骤如下(1)按照施罗德公式计算出豆蔻酸和硬脂酸二元脂肪酸的混合质量比为72.66%与 27. 34%，将豆蔻酸和硬脂酸按该配比混合，85°C水浴条件下将这两种脂肪酸的混合物加热搅拌50分钟，超声3分钟后得豆蔻酸/硬脂酸二元共熔混合物；测定豆蔻酸/硬脂酸的二元共熔混合物相变温度为47. 55°C，相变潜热为182. 3J/g，计算得其理论分子质量为Ml. 39 ； 将该二元脂肪酸共熔混合物看作是单一的脂肪酸，然后与月桂酸进行复合，根据施罗德公式计算可知，二元脂肪酸共熔混合物和月桂酸的混合质量比为49%与51% ；按照该配比混合后，65°C水浴条件下将其加热搅拌50分钟，超声3分钟后得月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物；(2)将粘土污泥=9 1质量比的污泥陶粒在50°C下抽真空40分钟，真空度为 0. 098MPa ；加入已经熔化的月桂酸/豆蔻酸/硬脂酸三元共熔混合物；升至常压，三元共熔混合物渗入污泥陶粒120分钟；降温，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相变材料。
6.如权利要求3所述的定形相变材料的制备方法，其特征在于，步骤如下(1)按照施罗德公式计算出月桂酸和豆蔻酸的混合质量比为65.08% 34. 92%，将月桂酸和豆蔻酸按该配比混合，65°C水浴条件下将这两种脂肪酸的混合物加热搅拌60分钟， 超声2分钟后得月桂酸/豆蔻酸二元共熔混合物；测定月桂酸/豆蔻酸的二元共熔混合物， 相变温度为35. 10°C，相变潜热为210. 2J/g，计算得其理论分子质量为209. 30 ；将该二元脂肪酸共熔混合物看作是单一的脂肪酸，然后与癸酸进行复合，根据施罗德公式计算得二元脂肪酸共熔混合物和癸酸的混合质量比为47. 6% 52.4% ；按照该配比混合后，50°C水浴条件下将其加热搅拌60分钟，超声2分钟后得癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物；(2)将粘土污泥=8. 9 1.1质量比的污泥陶粒在40°C下抽真空50分钟，真空度为 0. 095MPa ；加入已经熔化的癸酸/月桂酸/豆蔻酸三元共熔混合物；升至常压，三元共熔混合物渗入污泥陶粒100分钟；降温，即得三元脂肪酸/污泥陶粒定形相变材料。
全文摘要
本发明提供了一种多元脂肪酸定形相变材料及其制备方法。该定形相变材料是以下原料复合而成多元脂肪酸共熔混合物30～60％，污泥陶粒40～70％。制备方法是将污泥陶粒在高于多元脂肪酸共熔混合物相变点10～20℃的温度下抽真空30～100分钟，加入熔化的多元脂肪酸；升至常压，使液态多元脂肪酸逐渐渗入污泥陶粒中，降温，即得多元脂肪酸/污泥陶粒定形相变材料。该制备方法工艺简单，所得相变材料相变温度较低，适用于民用建筑的室温调节。
文档编号C04B33/132GK102531550SQ201110435480
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者何红桃, 叶新强, 岳钦艳, 王俊鹏, 高宝玉, 高悦, 高桂波 申请人:山东大学