一种相变蓄冷复合材料及其制备方法与流程

本发明属于相变材料的技术领域，涉及一直能够相变蓄冷材料，具体涉及一种相变蓄冷复合材料的制备方法。本发明制备方法简单，易操作，制备的成品率高。

背景技术：

材料储存热能通常有两种方式：显热和潜热(即相变热)。显热储存是利用材料的比热容和材料的温度变化来进行的；潜热储存是利用物质在物态转变过程中伴随着能量吸收和释放而进行的，其中潜热储存通常比显热储存具有高得多的储能密度，因此利用材料的潜热进行储能蓄冷具有更为广阔的前景。

蓄冷主要有水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷。水蓄冷就是利用水的显热来存储冷量的一种蓄冷方式，这种蓄冷方式具有系统简单、投资少、技术要求低、维修方便等优势，但是水蓄冷的缺点是蓄冷温差较小，所蓄负荷不宜太大等。冰蓄冷是利用冰的相变潜热进行冷量储存的一种蓄冷方式，这种蓄冷方式相较于水蓄冷方式占用空间大大减小，并且，冰蓄冷蓄冷温度几乎恒定，设备容易标准化、系统化，但是，冰蓄冷系统的技术水平要求高，系统的设计和控制比要比水蓄冷系统复杂的多。共晶盐蓄冷是利用固液相变特征蓄冷的一种蓄冷方式。蓄冷介质主要是由无机盐、水、成核剂和稳定剂组成的混合物，该种方式克服了冰蓄冷应用于空调冷水机组要求很低的蒸发温度的缺点，但是共晶盐蓄冷在蓄-放冷过程中换热性能较差，设备投资也较高，在实际应用中的层化问题、过冷问题及稳定性问题都面临着高技术的挑战，阻碍了该技术的推广应用。

技术实现要素：

本发明为解决上述现有技术的问题，提供了一种相变蓄冷复合材料的制备方法，制备方法简单，易控制，成品率高。

本发明为实现其目的采用的技术方案是：

一种相变蓄冷复合材料的制备方法，包括以下步骤，取纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮分散于去离子水中，搅拌混合后，超声处理1-1.5h制成溶胶，将溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液混匀，分散，得到相变蓄冷复合材料。

纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水的质量比为(1-8)：(180-210)：(20-25)：(257-299)。

搅拌混合时间为10-15min。

控制超声处理的频率为40khz。

洋绣球酸/叶绿醇溶液中洋绣球酸与叶绿醇的质量比为(63.3-110.8)：(14.8-59.3)。洋绣球酸和叶绿醇均为液体状态，两者按比例搅拌混合、互溶得到洋绣球酸/叶绿醇溶液。

分散的时间为20-40min。

溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液的质量比为(45.8-54.2)：(78-93.4)。

所述纳米二氧化钛的粒径为25nm，晶型为金红石型。

一种相变蓄冷复合材料，包括以下原料，质量比为(45.8-54.2)：(78-93.4)的溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液，所述溶胶包括质量比为(1-8)：(180-210)：(20-25)：(257-299)的纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水。

本发明的有益效果是：

纳米二氧化钛同时起增稠剂、导热强化剂和成核剂的作用，能够解决无机水合盐相变材料的相分离、导热系数过小及过冷问题，可以显著提高蓄冷材料的导热系数，达到强化换热的目的。

pvp作为一种合成水溶性高分子化合物，具有水溶性高分子化合物的一般性质，胶体保护作用，成膜性、粘结性、吸湿性、增溶以及凝聚作用。但是在研究过程中发现pvp的加入，在硫酸铝铵的存在下会降低相变材料的热导率，使得传热性能变差、相变时间延长，为解决这个问题，我们经过一系列的研究和分析，通过将溶胶置于洋绣球酸/叶绿醇溶液中，经过分散，对相变蓄冷材料的性能实现了开拓性改善。

硫酸铝铵低温范围内具有较高的相变潜热269kj/kg，低温范围内具有较高的熔点93.7℃，较高的热导率0.55w/(m·k)和较小的体积变化率7％，而且无毒、价格适中，在反复熔化-凝固相变过程中一般不出现相分离，是稳定的无机水合盐。然硫酸铝铵结晶过程中会出现严重的过冷(过冷度可达20℃)，因此需要经过一定的处理以有效提高材料热导率，降低过冷度，该处理是通过洋绣球酸与叶绿醇的比例控制，将纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮复配溶胶后置于洋绣球酸/叶绿醇溶液中分散实现的。

本次制备的复合材料进行了有机与无机材料结合，有效克服单一相变材料蓄冷的缺点，进一步改善蓄冷材料性能，热稳定性好，成品无毒绿色环保，可以在建筑、食品、生物等方面广泛应用。

本发明加入洋绣球酸/叶绿醇溶液，具有调节相变温度、提高形变潜热和良好的物理化学稳定性，洋绣球酸提高热稳定性，叶绿醇有一定乳化作用和配合洋绣球酸的作用，提高成品使用寿命，将洋绣球酸/叶绿醇溶液与溶胶混合用于减小热导率小的弊端，所以将有机溶剂与无机材料联合使用，有效提高材料热导率，降低过冷度，进一步改善蓄冷材料性能，热稳定性好。

附图说明

图1是将本发明体系进行200次融化-凝固循环测试凝固点变化图。

图2是溶胶与成品的dsc曲线图。

图3是纳米二氧化钛-硫酸铝铵-聚乙烯比咯烷酮的溶胶tem图像。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一、具体实施例

实施例1

一种相变蓄冷复合材料，包括以下原料，质量比为45.8：78的溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液，溶胶包括质量比为1：180：20：257的纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水。所述纳米二氧化钛的粒径为25nm，晶型为金红石型。金红石型具有热力学稳定相，锐钛相的氧化性相对较强，制备的相变蓄冷材料性能更好。

上述相变蓄冷复合材料由下述方法制备，包括以下步骤，按上述质量比取纳米二氧化钛1g、硫酸铝铵180g、聚乙烯比咯烷酮20g分散于257g去离子水中，搅拌混合10min后，超声处理1h，频率为40khz，制成溶胶，将溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液混匀，分散20min，得到相变蓄冷复合材料。

其中，洋绣球酸/叶绿醇溶液中洋绣球酸与叶绿醇的质量比为63.3：14.8。

实施例2

一种相变蓄冷复合材料，包括以下原料，质量比为54.2：93.4的溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液，溶胶包括质量比为8：210：25：299的纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水。所述纳米二氧化钛的粒径为25nm，晶型为金红石型。

上述相变蓄冷复合材料由下述方法制备，包括以下步骤，按上述质量比取纳米二氧化钛8g、硫酸铝铵210g、聚乙烯比咯烷酮25g分散于299g去离子水中，搅拌混合15min后，超声处理1.5h，频率为40khz，制成溶胶，将溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液混匀，分散40min，得到相变蓄冷复合材料。

其中，洋绣球酸/叶绿醇溶液中洋绣球酸与叶绿醇的质量比为110.8：59.3。

实施例3

一种相变蓄冷复合材料，包括以下原料，质量比为52：80的溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液，溶胶包括质量比为2：190：21：260的纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水。所述纳米二氧化钛的粒径为25nm，晶型为金红石型。

上述相变蓄冷复合材料由下述方法制备，包括以下步骤，按上述质量比取纳米二氧化钛2g、硫酸铝铵190g、聚乙烯比咯烷酮21g分散于260g去离子水中，搅拌混合12min后，超声处理1.2h，频率为40khz，制成溶胶，将溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液混匀，分散30min，得到相变蓄冷复合材料。

其中，洋绣球酸/叶绿醇溶液中洋绣球酸与叶绿醇的质量比为70：20。

实施例4

一种相变蓄冷复合材料，包括以下原料，质量比为47：83的溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液，溶胶包括质量比为3：200：22：270的纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水。所述纳米二氧化钛的粒径为25nm，晶型为金红石型。

上述相变蓄冷复合材料由下述方法制备，包括以下步骤，按上述质量比取纳米二氧化钛3g、硫酸铝铵200g、聚乙烯比咯烷酮22g分散于270g去离子水中，搅拌混合11min后，超声处理1.3h，频率为40khz，制成溶胶，将溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液混匀，分散25min，得到相变蓄冷复合材料。

其中，洋绣球酸/叶绿醇溶液中洋绣球酸与叶绿醇的质量比为80：30。

实施例5

一种相变蓄冷复合材料，包括以下原料，质量比为48：85的溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液，溶胶包括质量比为4：185：23：280的纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水。所述纳米二氧化钛的粒径为25nm，晶型为金红石型。

上述相变蓄冷复合材料由下述方法制备，包括以下步骤，按上述质量比取纳米二氧化钛4g、硫酸铝铵185g、聚乙烯比咯烷酮23g分散于280g去离子水中，搅拌混合14min后，超声处理1.1h，频率为40khz，制成溶胶，将溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液混匀，分散23min，得到相变蓄冷复合材料。

其中，洋绣球酸/叶绿醇溶液中洋绣球酸与叶绿醇的质量比为90：40。

实施例6

一种相变蓄冷复合材料，包括以下原料，质量比为53：90的溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液，溶胶包括质量比为5：195：24：290的纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水。所述纳米二氧化钛的粒径为25nm，晶型为金红石型。

上述相变蓄冷复合材料由下述方法制备，包括以下步骤，按上述质量比取纳米二氧化钛5g、硫酸铝铵195g、聚乙烯比咯烷酮24g分散于290g去离子水中，搅拌混合13min后，超声处理1.4h，频率为40khz，制成溶胶，将溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液混匀，分散27min，得到相变蓄冷复合材料。

其中，洋绣球酸/叶绿醇溶液中洋绣球酸与叶绿醇的质量比为100：50。

实施例7

一种相变蓄冷复合材料，包括以下原料，质量比为50：87的溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液，溶胶包括质量比为6：205：21：265的纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水。所述纳米二氧化钛的粒径为25nm，晶型为金红石型。

上述相变蓄冷复合材料由下述方法制备，包括以下步骤，按上述质量比取纳米二氧化钛6g、硫酸铝铵205g、聚乙烯比咯烷酮21g分散于265g去离子水中，搅拌混合13min后，超声处理1.2h，频率为40khz，制成溶胶，将溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液混匀，分散21min，得到相变蓄冷复合材料。

其中，洋绣球酸/叶绿醇溶液中洋绣球酸与叶绿醇的质量比为110：25。

实施例8

一种相变蓄冷复合材料，包括以下原料，质量比为51：92的溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液，溶胶包括质量比为7：200：22：285的纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水。所述纳米二氧化钛的粒径为25nm，晶型为金红石型。

上述相变蓄冷复合材料由下述方法制备，包括以下步骤，按上述质量比取纳米二氧化钛7g、硫酸铝铵200g、聚乙烯比咯烷酮22g分散于285g去离子水中，搅拌混合12min后，超声处理1.3h，频率为40khz，制成溶胶，将溶胶与洋绣球酸/叶绿醇溶液混匀，分散28min，得到相变蓄冷复合材料。

其中，洋绣球酸/叶绿醇溶液中洋绣球酸与叶绿醇的质量比为65：45。

二、性能试验

1、过冷度和相变时间的测定

表1

2、体系稳定性测定

将本发明体系进行200次融化-凝固循环测试，从图1可以看出其凝固点未产生变化或凝固点变化非常小，说明在相变的过程中是能够可逆的且没有衰退，使得本发明蓄冷材料能够反复使用，同时说明本发明的相变体系稳定性好。

3、分散稳定性

将由纳米二氧化钛、硫酸铝铵、聚乙烯比咯烷酮、去离子水制备的溶胶静置8周，观察后，无沉淀、无分层，说明本发明工艺控制的溶胶体系稳定性好。通过对形成的纳米二氧化钛-硫酸铝铵-聚乙烯比咯烷酮的溶胶tem图像图3可知，纳米二氧化钛均匀的分布在溶胶中，无团聚现象。