一种相变保温材料及其制备方法与其在热整流方面的应用

本发明涉及建筑材料，尤其涉及一种相变保温材料及其制备方法与其在热整流方面的应用。

背景技术：

1、在现有的建筑领域中，墙体作为建筑围护结构中的主体部分发挥着隔离外界环境的重要作用。例如，对于热带地区和寒温带地区，受到较为极端环境的影响，当地居民大部分时间都在室内活动。为了确保室内温度的舒适性，这些地区的保温外墙通常具有高度隔热的性能。目前市面上存在的一些保温材料，如玻化微珠保温砂浆、苯板、岩棉等，它们的热导率已经低至0.035w/mk，对于室内和室外的热量传递具有良好的阻隔作用。但也同时导致了一些特殊条件下，例如高温地区的夜晚以及寒冷地区的午后，建筑无法有效地散热或采暖，从而仅依靠空调、地暖等设备的运作。据统计，建筑能耗已经达到全球总能耗的20-40％，特别是建筑中供暖和制冷能耗已占到68％。对于上述问题，开发热量单向传导的建筑围护结构是一个有效的解决方案。这类结构具有可变化的热导率，即热流只能在高热导率的方向上输运，在低热导率的方向上被截止，这类似于一种“整流”作用。这里提到的“整流”概念出自“电整流”，普遍用于微电子领域，对应的典型器件是“电二极管”，通过类比和迁移可以得到“热整流”的概念并将其应用于宏观体系的建筑领域。

2、现有的建筑保温技术大多集中在结合相变材料以提高蓄热储能和稳定温度能力。根据相变状态的不同，相变材料可划分为气-液、气-固、固-液和固-固等四种类型。其中，固-气型和液-气型在发生相变时因产生气体而导致较大的体积变化，并存在气体泄漏等问题。固-固型在发生相变时相变潜热小，制备工艺复杂。相比之下，固-液型在发生相变时相变潜热高，体积变化小，是目前建筑墙体中最有应用潜力的相变材料。通过直接浸润或混合的方法结合多孔材料或微胶囊等载体，可以解决其融化为液体时产生的泄漏问题。尽管微观尺度下的载体内部发生固-液相变，但在宏观尺度下复合材料仍能维持固态。现有保温墙体技术中大多数用到的相变材料为石蜡，但石蜡的热膨胀系数较大，导热系数较低。

3、目前，在用于建筑外墙的保温技术中，主要关注两个方面：一是追求更低的热导率以提高隔热性能；二是结合相变材料来增强蓄热储能能力；尚未提出并研究“热整流”性能，仅通过隔绝建筑内外的热交换维持舒适温度，导致过度依赖空调、地暖等设备。目前学术界已经发现并创建了多种实现热整流的技术。具体来讲，在微观尺度下，通过微加工技术制备不对称结构的纳米器件实现热整流，但大多数研究为可行性验证，加工工艺复杂，无法完成实际应用；在宏观尺度下，调控“两段式材料”的界面接触热阻或热导率-温度的依赖关系实现热整流，但稳定性和耐用性均不足。因此，开发一种可实现高效热整流性能、循环稳定性强且工艺难度低的建筑保温层具有很高的应用价值。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种相变保温材料及其制备方法与其在热整流方面的应用，该技术将热整流性能结合到建筑外墙的保温层中，且具备良好的稳定性和可靠性，可实现批量生产。

2、基于此，本发明具有如下技术方案：

3、第一方面，本发明首先提供一种相变保温材料的制备方法，包括：

4、s1：将二氧化硅气凝胶粉末与水混合，得到絮状混合物；而后将所述絮状混合物进行压制成型，干燥硬化后得到二氧化硅气凝胶标准块；

5、s2：将所述二氧化硅气凝胶标准块吸附熔融的c15～c25的烷烃和/或c15～c25的脂肪酸；其中，控制所述气凝胶标准块吸附前后的质量比为(1.5～2)：1。

6、本发明中，所述相变保温材料由气凝胶骨架和相变材料复合而成；具体地，本发明发现，较其他相变材料(如石蜡等)而言，c15～c25的烷烃和/或c15～c25的脂肪酸的固态热导率和液态热导率的差值更大，即固态时热导率更高，液态时热导率更低，这更有利于实现高效的热整流性能。此外，c15～c25的烷烃和/或c15～c25的脂肪酸的相变体积变化更小，相变过程中对气凝胶骨架的负荷更小，有利于更好的循环稳定性。

7、本发明进一步发现，在制备所述相变保温材料时，需要控制气凝胶骨架(即所述气凝胶标准块)的吸附量为上述范围，能够在维持热整流性能的同时，具备良好的体系稳定性；若吸附量超出上述范围，在相变循环过程中会出现复合材料的体积膨胀，导致结构开裂。若吸附量过少，则热整流性能不足。

8、本发明中，本领域技术人员能够根据需要使用气凝胶浆料将所述二氧化硅气凝胶标准块进行粘合拼接，得到更大面积的二氧化硅气凝胶骨架。

9、作为优选，s2中将所述二氧化硅气凝胶标准块吸附熔融的c18～c22的烷烃和/或c18～c22的脂肪酸；更优选地，吸附熔融的十八碳烷、十九碳烷、二十碳烷、二十一碳烷或二十二碳烷；进一步优选地，吸附熔融的二十碳烷。

10、本发明中，所述气凝胶浆料为稀释后的市售二氧化硅气凝胶粉末与水的混合浆料。

11、作为优选，s2中，将熔融的c15～c25的烷烃和/或c15～c25的脂肪酸滴涂在所述二氧化硅气凝胶标准块的一面。

12、本发明发现，制备过程采用滴涂法将c15～c25的烷烃和/或c15～c25的脂肪酸吸附至气凝胶骨架中有利于精准控制c15～c25的烷烃和/或c15～c25的脂肪酸的吸附质量和吸附区域面积，与传统的浸润法相比，滴涂法制得的相变保温材料稳定性和可靠性更好。

13、本发明中，在滴涂时，仅滴涂所述二氧化硅气凝胶标准块的一面。

14、作为优选，所述滴涂过程中，控制滴涂区域的面积为二氧化硅气凝胶标准块滴涂面的1/2以上。

15、作为优选，s2中，所述滴涂过程中，滴涂区域的形状包括交叉条纹、圆形或环形；更优选地，所述滴涂区域的形状为交叉条纹。

16、本发明发现，上述滴涂形状能够有效分散相变循环时由于c15～c25的烷烃和/或c15～c25的脂肪酸的体积变化导致的应力集中，避免复合材料体系力学强度出现明显降低。

17、作为优选，所述交叉条纹中，条纹宽度和间距宽度的比例为(1～2)：(1～2)。

18、进一步优选地，所述交叉条纹中，条纹宽度和间距宽度的比例为(1～1.5)：(1～1.5)。

19、作为优选，s2中，控制吸附时间为5～10min。

20、第二方面，本发明提供一种相变保温材料，其由所述的制备方法制得。

21、第三方面，本发明提供一种建筑材料，其含有所述的相变保温材料。

22、作为优选，所述的建筑材料依次包括接触设置的保温材料外壳、所述相变保温材料和基层墙体。

23、进一步优选地，所述保温材料外壳的厚度为3～6mm；所述相变保温材料的厚度为1～3cm。

24、更优选地，所述保温材料外壳包括硅酸钙板或纤维板。

25、本发明中，通过硅酸钙板或纤维板等硬质板作为保温材料外壳，能够提供支撑保护作用，有利于进一步提高系统的力学稳定性。

26、第四方面，本发明提供一种建筑材料的制备方法，包括：

27、步骤1：将所述二氧化硅气凝胶标准块中吸附有熔融c15～c25的烷烃和/或c15～c25的脂肪酸的一面贴合保温材料外壳，轻微压实，静置凝固；其中，该保温材料外壳在与所述二氧化硅气凝胶标准块贴合的一面涂抹有胶水。

28、优选地，所述胶水为建筑专用填充胶水，比如瓷砖粘结剂和免钉胶等。

29、步骤2：将所述二氧化硅气凝胶标准块中未吸附熔融c15～c25的烷烃和/或c15～c25的脂肪酸的一面贴合另一块保温材料外壳，轻微压实，静置凝固；其中，该保温材料外壳在与所述二氧化硅气凝胶标准块贴合的一面涂抹有胶水。

30、第五方面，本发明提供所述的相变保温材料在制备建筑材料方面的应用。

31、本发明中，热整流性能来自于所述相变保温材料相变前后的热导率跳变，固态热导率为液态热导率的几倍以上。因此在将所述相变保温材料制备建筑材料时，其具体应用形式为：在热带地区，相变保温层被安装在建筑墙体的外侧。白天高温时，其熔化成液态，吸收外部热量并产生热导率的急剧下降，阻止热量从外部进入建筑内部。夜晚室外温度低于室内时，该相变保温层向外辐射热量并转化成固态，热导率迅速上升允许建筑内部的热量向外部散发。同理，在寒冷地区，相变保温层被安装在建筑墙体的内侧，以防止夜间建筑内部向外部的散热，并允许午后外部热量进入建筑内部。有效提高环境热量的利用效率，节省空调、地暖等设备的能源消耗。

32、本发明中，所述相变保温材料可应用于多种极端环境中民用建筑采暖与空调节能及未来智能建筑的温控等领域，实现高效热整流性能。

33、本发明提供的一种相变保温材料及其制备方法与其在热整流方面的应用，将热整流性能结合到建筑外墙的保温层中，并具备良好的稳定性和可靠性，可实现批量生产。在特定温度条件下，该保温层能够开启热整流作用，有效控制墙体内部的单方向热传导，进而调节墙体两侧的温差。还可通过改变原材料的物理性能进一步调整热整流的工作范围和整流能力。