专利名称：一种相变储能热垫及其制备方法
技术领域：
本发明属于功能性复合材料技术领域，特别涉及一种相变储能热垫及其制备方法。
背景技术：
能源利用领域中最重要的课题是节能与环保，而相变蓄能技术是利用相变材料的相变潜热进行能量贮存(蓄热、蓄冷)的一项新型环保节能技术，可以缓解能量双方在时间、强度及地点上不匹配，是合理利用能源及减轻环境污染的有效途径，也是提高能源利用率的有效手段。利用蓄能技术，将供大于求时的能量储存起来，供需要时使用，这样既可以提高能源的利用率也可以缓解能源利用的紧迫性。充分利用相变潜热蓄能成为科研领域的执占。相变储能材料能够在其物相变化过程中，从外部环境中吸收热(冷)量或向环境释放热(冷)量，从而实现能量的储存和释放。利用相变储能材料的这种特征，可将其应用于太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用、工业与民用建筑供暖和空调的节能以及航空航天、纺织工业等领域。因此相变储能材料日益受到人们的重视，具有广泛的应用前景。国外对相变材料(PCM)的研究工作早在20世纪60年代就已经开始，当时的研究主要是以节能为目的，主要集中在无机盐水合物方面。但无机盐水合物材料的缺点是存在较大的过冷度和明显的析出现象，以及周期操作下的热稳定性问题。即使添加了成核剂和分散剂仍无法有效解决，限制了共晶盐的应用。然而以石蜡、烷烃、脂肪酸为代表的有机物是目前国内外研究有机相变材料的重点，其优点主要表现在热稳定性好，价格较便宜，热贮存密度大，热稳定性较好，无腐蚀性，无水合盐类相变材料的过冷和相分层现象；缺点是导热系数很低，致使其在蓄热系统的应用中表现出传热性能差、蓄热利用率低的缺点，从而降低了系统的效能，极大限制了有机相变材料的应用领域。本发明正是应用相变材料本身导热性能差的特点，对这个缺点加以利用和改进，并结合化学热力学及生理卫生学方面的知识，从改变人类传统被动式御寒保暖方式，转向主动变热调温的方式为出发点，研制智能 “相变蓄热垫”。
发明内容
本发明的目的是提供一种相变储能热垫及其制备方法，以改善结晶水合盐的过冷和相分离现象，硬脂酸的导热系数小等问题，同时使相变材料具有高强度、高导热性、高模量、高耐划痕、耐腐蚀、低密度、良好的柔韧性、较强的蓄热能力等特性。除此之外，还具有操作简单，过程易于控制，合成温度低等优点。本发明提供了一种相变储能热垫。该热垫由面料层，保护层和主体结构构成，其中的主体结构由海绵层1、蓄热层2、加热层3、绝热层4四部分组成，主体结构最里层为加热层 3，加热层3之外上层为蓄热层2，下层为绝热层4，绝热层4和蓄热层2之外为海绵层1 ；主体结构的外围从内到外依次为保护层5和面料层6，保护层5材料为氢纶，面料层6材料为棉质材料。在蓄热层2中填充的相变储能材料是硬脂酸与Na2HPO4 · 12H20的物理融合物，融合的质量比例是2 3，并同时加入质量百分比为的聚丙烯酰胺。本发明所采用的相变材料中，硬脂酸分子式为C18H36O2,为白色单斜晶系棱柱体，是一种以甘油酯形式存在于动物脂肪中的饱和脂肪酸。熔点一般在60-70°C之间。沸点(1标准大气压)为383°C。不易发生自氧化、还原、加成等化学反应。脂肪酸同时具有脱水和热分解的性质，但热分解脱水要在350°C以上才可以发生。硬脂酸作为常用的相变材料，具有较高的潜热值、无过冷和析出、性能稳定等优点，是一种无毒无腐蚀性物质，缺点是导热系数小。Na2HPO4 · 12H20，又称作十二水合磷酸氢二钠，白色或无色单斜晶系棱形晶体，无毒，熔点35°C左右，比重1. 52，非在强酸的环境下，不易发生化学反应。在温度为125°C时失去全部结晶水成无水物，250°C分解成焦磷酸钠。具有高潜热值，蓄热、导热性能好等优点， 缺点是存在过冷现象。本发明所采用的加层海绵一是可以使人感觉到舒适，二是可以起到间接传热的作用。海绵的厚度视选用海绵材料的不同品质而定，一般在4-5cm。本发明所采用的蓄热材料和加热层是热垫的主体，加热主要通过利用电源加热蓄热材料的形式，在环境温暖舒适，不需要进行取暖的情况下，通过电源来给热垫进行蓄热， 以保存热量。当环境发生变化，人们需要取暖时，再通过蓄热材料把能量传递给人体，实现能源的间歇式利用。为了尽量避免或减少相变过程中由于液相的流动而使材料在蓄热层中出现不均勻而导致热垫发热表面的不均勻性，在蓄热层封装了一层起支撑作用的框架，在一定程度上能够固定蓄热材料流动变形。加热层厚度在l-2cm之间。本发明所采用的绝热层材料是开孔式海绵橡胶，厚度为2_3cm，作用是在加热和放热的时候尽量使热量向有用一侧传递。本发明所采用的加热膜是自制的简单实用，廉价的薄膜。其加热面是通过高热阻的硅胶螺旋发热线缠绕涤纶布面而成的加热形式，其中发热线部分是耐高温，耐腐蚀，表皮橡胶绝缘性高，热辐射性能良好的发热材料。整个加热部分加热功率为40W，表面加热温度在120°C时，无异常现象发生。当然，如果加热时间过长，可以考虑在热垫加热膜中安装恒温
直ο本发明还提供了这种相变储能热垫的制备方法，该制备方法包括两大步骤，第一步，相变储能材料的制备，主要采用溶胶-凝胶法，第二步，“相变储能热垫”的制备。具体包括以下步骤步骤1 相变储能材料的的制备步骤1. 1 将硬脂酸置于三口烧瓶中，通过恒温磁力加热搅拌器，在75°C时加热搅拌至硬脂酸全部溶解；步骤1. 2 将干燥的Na2HPO4 · 12H20研成粉末，以硬脂酸与Na2HPO4 · 12H20的质量比为3 2的比例缓慢均勻地加入熔融的硬脂酸中，同时加入质量百分比为的聚丙烯酰胺；步骤1. 3 持续搅拌10分钟，得乳白色胶状体；
步骤1. 4 对胶体反复加热3-5次，在密闭的情况下冷却到33-35度胶体状态保持不变时，即制得相变储能材料；步骤2 热垫的成型制备，具体流程如下步骤2. 1 用PEEK型耐热性塑料薄膜将相变储能材料封装成小块，并用封口器进行塑料的封装压膜，最后在封装袋的外表面附着一层锡纸，完成蓄热层的制备；步骤2. 2 用高热阻的硅胶螺旋发热线缠绕涤纶布面形成加热层；步骤2. 3 将绝热层至于加热层下面，并用线缝在一起；步骤2. 4 将蓄热层放置在缝好的加热层与绝热层上面；步骤2.5 将海绵处理成和蓄热层小块大小一样的凹槽型，然后将蓄热层小块固定在海绵的凹槽里；步骤2. 6 用海绵包裹在绝热层周围，固定整个热垫主体部分；步骤2.7 海绵周围紧紧包裹一层氢纶作为保护层，而后再包裹一层棉质材料的面料层，并用线缝合，即得热垫产品。本发明所采用的保护层为氢纶，面料层为棉质材料。氢纶具有较小的导热性能，能够在一定程度上减少储存热量过快的散失。而棉质能够调节人体衣内微气候环境，满足人体的舒适性要求。本发明具有以下有益效果相变蓄热热垫主要是依据蓄热纺织品具有的温度调节功能来加工设计的。蓄热热垫作为积极的调节人体及周围微气候的生活用品，不仅适应21世纪人们追求生活的舒适性、方便快捷的需求，而且满足了长期在外或处于较寒冷环境中的人们的保暖要求。该产品的发明突破了传统电加热垫等用品单纯的以电取暖的观念，从人体舒适性及安全性角度出发，使人体体温尽量处于一种舒适的状态，从而达到既能保暖又能改善人们休息或运动的舒适条件和方便实用要求。本发明中的热垫产品经过反复蓄放热后其性质没有发生变化，热垫的稳定性非常好。热垫产品的蓄放热时间基本在3小时和8小时左右。热垫表面温度最高基本在55°C左右，放热最终温度基本维持在26°C左右，在外界环境或是室内待取暖的情况下，这种温度非常适合人体要求，具有良好的蓄放热性能。
图1 热垫主体结构图；图2:热垫产品结构图；图中，1-海绵层，2-蓄热层，3-加热层，4-绝热层，5-保护层，6_面料层。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明中的相变蓄热材料层是硬脂酸与Na2HPO4 · 12H20的物理融合，融合的质量比例是2 3，并同时加入质量百分比为的聚丙烯酰胺。本发明相变蓄热材料的潜热及熔点的测试，可以采用差示扫描量热计(DSC)，测定发现硬脂酸从50°C就开始有部分融化，相变潜热大小为200J/kg左右。Na2HPO4 · UH2O熔点(相变温度)为35°C，相变潜热为246J/kg。可以看出，Na2HPO4 · 12H20的熔点和潜热都非常适合人体自身对冷热的感觉。而作为热垫材料由于本身具有保温隔热的效果，所以，选择具有较高熔点的硬脂酸来调和与Na2HPO4 · 12H20的比例，以此来调和相变温度，借此平衡人与热垫的接触温度，以达到既舒适又长期有效的作用。本发明中Na2HPO4 · 12H20的过冷度并不是很高，一般在10度左右，实验表明，硬脂酸作为Na2HPO4 · 12H20的成核剂是有效的。对于Na2HPO4 · 12H20的析出，主要是向其中加入聚丙烯酰氨作为增稠剂。通过向Na2HPO4 ·12Η20加入质量百分比为的聚丙烯酰氨，能够很好的防止Na2HPO4 · 12Η20结晶时的相分离问题。本发明中相变蓄热材料的制备方法如下首先用天平称取一定量的硬脂酸和 Na2HPO4 · 12Η20，按所设定的比例称量后分放在不同的烧杯内，并在烧杯上面加盖一个玻璃盖片。将烧杯放在磁力加热搅拌器上加热融化，当硬脂酸和Na2HPO4 · 12Η20分别达到自身的熔点并完全融化时，将Na2HPO4 · 12Η20溶液连同玻璃盖片上的水分采用玻璃棒引流的方式一同倒入盛有硬脂酸溶液的烧杯中，并向其中加入的聚丙烯酰胺。这时恒定磁力搅拌器的温度不变，并以恒定的速率不停的搅拌两种混合材料，直到最后材料混合均勻并出现胶状为止，此时可以关掉磁力搅拌器，取出材料，整个材料的混合过程结束。对混合材料进行红外光谱分析可知=Na2HPO4 · 12Η20与硬脂酸本身并没有发生反应，是一种物理的融合，所以混合材料的潜热值也应该是两者的中和。实际上，对混合材料进行DSC测试，得到混合材料的相变潜热值为238. 4J/g，与两种材料分别测得的值按比例吻合的很好。再次说明了这种材料只是简单的物理融合而不存在化学反应，即各自的物理化学性质均不发生变化。本发明中相变蓄热垫的设计方法及步骤如前文所述，而热垫蓄放热性能的测试主要从温度和时间两个指标来加以评价。测试表明，热垫产品的蓄放热时间基本在3小时和8 小时左右。热垫表面温度最高基本在55°C左右，放热最终温度基本维持在^TC左右，在外界环境或是室内待取暖的情况下，这种温度非常适合人体要求，具有良好的蓄放热性能。
权利要求
1.一种相变储能热垫，由面料层，保护层和主体结构构成，其特征在于所述的主体结构由海绵层(1)、蓄热层O)、加热层(3)、绝热层四部分组成，主体结构最里层为加热层 (3)，加热层C3)之外上层为蓄热层O)，下层为绝热层G)，绝热层(4)和蓄热层( 之外为海绵层(1)；主体结构的外围从内到外依次为保护层(5)和面料层(6)，保护层(5)材料为氢纶，面料层(6)材料为棉质材料。
2.根据权利要求书1所述的一种相变储能热垫，其特征在于，在所述的蓄热层( 中填充相变储能材料，该相变储能材料是硬脂酸与Na2HPO4 · 12H20的物理融合，融合的质量比例是2 3，并同时加入质量百分比为的聚丙烯酰胺。
3.根据权利要求书1所述的一种相变储能热垫，其特征在于所述的海绵层(1)的厚度为4-5cm，绝热层(4)是开孔式海绵橡胶，厚度为2-3cm，加热层( 是由高热阻的硅胶螺旋发热线缠绕涤纶布面而成的自制加热膜，厚度在l-2cm之间。
4.权利要求1所述的相变储能热垫的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行 步骤1，相变储能材料的制备步骤1. 1 将硬脂酸置于三口烧瓶中，通过恒温磁力加热搅拌器，在75°C时加热搅拌至硬脂酸全部溶解；步骤1. 2 将干燥的Na2HPO4 · 12H20研成粉末，以硬脂酸与Na2HPO4 · 12H20的质量比为 3 2的比例缓慢均勻地加入熔融的硬脂酸中，同时加入质量百分比为的聚丙烯酰胺； 步骤1. 3 持续搅拌10分钟，得乳白色胶状体；步骤1. 4 对胶体反复加热3-5次，在密闭的情况下冷却到33-35度胶体状态保持不变时，即制得相变储能材料；步骤2，相变储能热垫的制备步骤2. 1 用PEEK型耐热性塑料薄膜将相变储能材料封装成小块，并用封口器进行塑料的封装压膜，最后在封装袋的外表面附着一层锡纸，完成蓄热层的制备； 步骤2. 2 用高热阻的硅胶螺旋发热线缠绕涤纶布面形成加热层； 步骤2. 3 将绝热层至于加热层下面，并用线缝在一起； 步骤2. 4 将蓄热层放置在缝好的加热层与绝热层上面；步骤2.5 将海绵处理成和蓄热层小块大小一样的凹槽型，然后将蓄热层小块固定在海绵的凹槽里；步骤2. 6 用海绵包裹在绝热层周围，固定整个热垫主体部分； 步骤2.7 海绵周围紧紧包裹一层氢纶作为保护层，而后再包裹一层棉质材料的面料层，并用线缝合，即得热垫产品。
全文摘要
本发明提供了一种相变储能热垫及其制备方法，属于功能性复合材料技术领域。相变蓄热材料作为一种新式的能源利用形式，本身具有过冷、析出和导热系数低等缺点。本发明针对相变材料本身的缺点加以利用和改进，并结合化学热力学及生理卫生学方面的知识，发明了一种相变储能热垫。该热垫产品由面料层、保护层、海绵层、蓄热层、加热层、绝热层构成。蓄热层材料的制备是本发明的关键所在。蓄热层为硬脂酸与Na2HPO4·12H2O的物理融合，融合的质量比例是2∶3，并同时加入质量百分比为1％的聚丙烯酰胺，弥补了有机与无机两种材料自身的缺点。该热垫产品的稳定性非常好，具有良好的蓄放热性能。既能保暖又能改善人们休息或运动的舒适条件和方便实用要求。
文档编号C09K5/06GK102173114SQ20101059703
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者唐志伟, 师明星, 张宏宇, 陈志峰 申请人:北京工业大学