專利名稱：有機(jī)／層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有機(jī)固-液相變潛熱貯能材料和層狀、層鏈狀粘土礦物顯熱貯能材料，特別是這兩類材料復(fù)合的貯能材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的有機(jī)固-液相變潛熱貯能材料有(1)石蠟類；(2)脂肪酸類；(3)其他有機(jī)物。這些貯能材料具有熔化潛熱高、相變溫度適當(dāng)、無(wú)毒、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。但由于此類貯能材料在相變過(guò)程中有液相產(chǎn)生，具有一定的流動(dòng)性，因此使用時(shí)需用容器來(lái)盛裝且容器必須密封，以防止泄露而腐蝕設(shè)備或污染環(huán)境。這一缺點(diǎn)極大地限制了固液相變貯能材料在實(shí)際中的應(yīng)用。另外，固-液相變材料一般總存在著過(guò)冷、相分離、貯能性能易衰退和盛裝容器價(jià)格較高等缺點(diǎn)。
自然界眾多的粘土礦物，如蒙脫土、皂石、貝得石、蛭石、累托石、凹凸棒土等均為層狀或?qū)渔湢罱Y(jié)構(gòu)。由于這些粘土礦物結(jié)構(gòu)的可膨脹性和層間水合陽(yáng)離子的可交換性，因此它們現(xiàn)已成為各種插層型納米復(fù)合材料制備中最為理想的基體材料。此外，它們還具有良好的貯能性能及導(dǎo)熱性能，其作為一種顯熱貯能材料正受到人們的愈益重視。但此類貯能材料的貯能密度偏小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種能較好地解決上述兩類貯能材料各自存在的缺點(diǎn)，相變過(guò)程中無(wú)液相產(chǎn)生，無(wú)須容器盛裝，相變焓較高，可集有機(jī)固液相變材料潛熱貯能性能和層狀、層鏈狀粘土礦物顯熱貯能性能及其填料功能于一體的新型的有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合貯能材料，即有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料。
本發(fā)明同時(shí)提供該材料的制備方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料的特點(diǎn)是以層狀或?qū)渔湢钫惩恋V物為基體，在其層間，插入有有機(jī)固液相變貯能材料，所述有機(jī)固液相變貯能材料是以納米尺寸存在粘土礦物的層間。
本發(fā)明有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料的特點(diǎn)還在于所述作為基體的層狀、層鏈狀粘土礦物，其有機(jī)粘土礦物粒度＜76μm，所述有機(jī)固液相變貯能材料在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于85％。
本發(fā)明有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料的特點(diǎn)也在于所述有機(jī)固液相變貯能材料為石蠟和/或脂肪酸類；所述層狀粘土礦物為蒙脫土、皂石、累托石、貝得石、蛭石；所述層鏈狀粘土礦物為凹凸棒土。
本發(fā)明有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料的制備方法的特點(diǎn)是采用熔融插層法，將有機(jī)粘土礦物與有機(jī)固液相變貯能材料充分混合均勻，進(jìn)行熔融插層至完全復(fù)合，冷卻后即得。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明復(fù)合貯能材料能較好地解決上述兩類貯能材料各自存在的缺點(diǎn)，相變過(guò)程中無(wú)液相產(chǎn)生，無(wú)須容器盛裝，相變焓較高，貯能性能比較穩(wěn)定，是一種集有機(jī)固液相變材料潛熱貯能性能和層狀、層鏈狀粘土礦物顯熱貯能性能、及其填料功能于一體的新型的有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合貯能材料，具有良好的應(yīng)用前景。
本發(fā)明利用熔融插層法將有機(jī)固液相變貯能材料插入到粘土礦物的層間，以制取復(fù)合貯能材料。具有親油疏水性的有機(jī)粘土礦物與有機(jī)固液相變貯能材料在一定條件下，當(dāng)體系溫度高于相變貯能材料的熔點(diǎn)時(shí)，相變貯能材料將由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)并均勻地分散嵌插在層狀、層鏈狀粘土礦物的層間，與粘土礦物形成牢固的復(fù)合體。其方法簡(jiǎn)單、操作方便、易于實(shí)施。


圖1為有機(jī)蒙脫土(曲線a)及石蠟/蒙脫土復(fù)合貯能材料(曲線b)X-射線衍射圖。
圖2為有機(jī)蒙脫土(曲線a)及硬脂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料(曲線b)X-射線衍射圖。
圖3為有機(jī)蒙脫土(曲線a)及月桂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料(曲線b)X-射線衍射圖。
圖4為有機(jī)蒙脫土(曲線a)及(硬脂酸+月桂酸)/蒙脫土復(fù)合貯能材料(曲線b)X-射線衍射圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本實(shí)施例中，有機(jī)粘土礦物為有機(jī)蒙脫土，有機(jī)固液相變貯能材料為石蠟，石蠟在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于60％。
制備過(guò)程為
a、在粒度＜76μm、10g的有機(jī)蒙脫土中加入14g石蠟，混勻；b、加熱到80℃，使石蠟呈熔融狀，并保持在這一狀態(tài)下攪拌使其充分混合均勻，直至完全復(fù)合；c、冷卻至室溫，即得石蠟/蒙脫土復(fù)合貯能材料。
如圖1所示，比較石蠟/蒙脫土復(fù)合貯能材料及有機(jī)蒙脫土的X-射線衍射圖可知，經(jīng)過(guò)插層復(fù)合以后，蒙脫土的層間距由19.708變化到19.447，這表明石蠟分子進(jìn)入到了蒙脫土的層間導(dǎo)致其層間距發(fā)生改變，且石蠟是以納米尺寸存在于蒙脫土層間的。
利用DSC熱分析技術(shù)對(duì)石蠟/蒙脫土復(fù)合貯能材料的貯能性能進(jìn)行測(cè)定，所得結(jié)果如表1所示。
表1 石蠟/蒙脫土復(fù)合貯能材料的貯能性能樣品 轉(zhuǎn)變溫度/℃峰溫/℃轉(zhuǎn)變焓/J.g-1復(fù)合貯能材料 47.41 53.84 103.8830次冷熱循環(huán) 45.77 54.42 101.00從表中數(shù)據(jù)可看出，石蠟/蒙脫土復(fù)合貯能材料的相轉(zhuǎn)變溫度為45-62℃，相轉(zhuǎn)變焓為103.88J/g；經(jīng)過(guò)30次冷熱循環(huán)的復(fù)合貯能材料與未經(jīng)冷熱循環(huán)的貯能性能相比，它們的相轉(zhuǎn)變溫度及相轉(zhuǎn)變焓都沒(méi)有多少改變，這說(shuō)明石蠟/蒙脫土復(fù)合貯能材料的貯能性能比較穩(wěn)定；石蠟復(fù)合后與復(fù)合前相比，因被密封在蒙脫土層間，所以在發(fā)生固-液相變時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)液態(tài)及相分離等現(xiàn)象，是一種形態(tài)穩(wěn)定的相變貯能材料。
實(shí)施例2本實(shí)施例是，有機(jī)粘土礦物為有機(jī)蒙脫土，有機(jī)固液相變貯能材料為硬脂酸，硬脂酸在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于75％。
制備過(guò)程為a、在粒度＜76μm的10g有機(jī)蒙脫土中加入25g硬脂酸，混勻；b、加熱到80℃，使硬脂酸呈熔融狀，并保持在這一狀態(tài)下攪拌使其充分混合均勻，直至完全復(fù)合；c、冷卻至室溫，即得硬脂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料。
X-射線衍射圖譜如圖2所示，由圖2可看出，經(jīng)過(guò)插層復(fù)合以后，蒙脫土的層間距由19.708變化到20.532，這表明硬脂酸分子進(jìn)入到了蒙脫土的層間導(dǎo)致其層間距發(fā)生變化并與之形成了復(fù)合體，且硬脂酸是以納米尺寸存在于蒙脫土層間的。
硬脂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料的DSC測(cè)試結(jié)果如表2所示。
表2硬脂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料的貯能性能樣品轉(zhuǎn)變溫度/℃峰溫/℃轉(zhuǎn)變焓/J.g-1復(fù)合貯能材料54.53 60.90 120.31從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，硬脂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料的相轉(zhuǎn)變溫度為51-68℃，相轉(zhuǎn)變焓為120.31J/g，且在相變過(guò)程中無(wú)流動(dòng)性，一直是以固態(tài)形式存在。
實(shí)施例3本實(shí)施例中，有機(jī)粘土礦物為有機(jī)蒙脫土，有機(jī)固液相變貯能材料為月桂酸，月桂酸在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于70％。
制備過(guò)程為a、在粒度＜76μm的10g有機(jī)蒙脫土中加入24g月桂酸，混勻；b、加熱到70℃，使月桂酸呈熔融狀，并保持在這一狀態(tài)下攪拌使其充分混合均勻，直至完全復(fù)合；c、冷卻至室溫，即得月桂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料。
其X-射線衍射圖譜如圖3所示，從圖3可看出，經(jīng)過(guò)插層復(fù)合以后，蒙脫土的層間距由19.708變化到17.946，這表明月桂酸分子進(jìn)入到了蒙脫土的層間導(dǎo)致其層間距發(fā)生變化并與之形成了復(fù)合體，且月桂酸是以納米尺寸存在于蒙脫土層間的。
表3為月桂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料貯能性能的測(cè)試結(jié)果。
表3月桂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料的貯能性能樣品 轉(zhuǎn)變溫度/℃峰溫/℃轉(zhuǎn)變焓/J.g-1復(fù)合貯能材料 43.01 47.73 107.6430次冷熱循環(huán) 42.80 49.69 108.87從表3可看出，月桂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料的相轉(zhuǎn)變溫度為40-56℃，相轉(zhuǎn)變焓為107.64J/g；經(jīng)過(guò)30次冷熱循環(huán)的復(fù)合貯能材料與未經(jīng)冷熱循環(huán)的貯能性能相比，它們的相轉(zhuǎn)變溫度及相轉(zhuǎn)變焓都沒(méi)有多少改變，這說(shuō)明月桂酸/蒙脫土復(fù)合貯能材料的貯能性能是比較穩(wěn)定的；月桂酸復(fù)合后與復(fù)合前相比，因被密封在蒙脫土的層間，所以在發(fā)生固-液相變時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)液態(tài)及相分離等現(xiàn)象，是一種外形穩(wěn)定的相變貯能材料。
實(shí)施例4本實(shí)施例中，有機(jī)粘土礦物為有機(jī)蒙脫土，有機(jī)固液相變貯能材料為硬脂酸和月桂酸，硬脂酸和月桂酸在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于70％。
制備過(guò)程為a、取12g硬脂酸和12g月桂酸，加熱熔融混勻；b、在上述硬脂酸和月桂酸的混合樣中，加入粒度＜76μm的10g有機(jī)蒙脫土，混勻；c、加熱到70℃，使硬脂酸和月桂酸呈熔融狀，并保持在這一狀態(tài)下攪拌使其充分混合均勻，直至完全復(fù)合；c、冷卻至室溫，即得(硬脂酸+月桂酸)/蒙脫土復(fù)合貯能材料。
其X-射線衍射圖譜如圖4所示，由圖4可看出，經(jīng)過(guò)插層復(fù)合以后，蒙脫土的層間距由19.708變化到19.278，這表明二元體系脂肪酸分子進(jìn)入到了蒙脫土的層間導(dǎo)致其層間距發(fā)生變化并與之形成了復(fù)合體，且(硬脂酸+月桂酸)是以納米尺寸存在于蒙脫土層間的。
(硬脂酸+月桂酸)/蒙脫土復(fù)合貯能材料的DSC測(cè)試結(jié)果如表4所示。
表4(硬脂酸+月桂酸)/蒙脫土復(fù)合貯能材料的貯能性能樣品 轉(zhuǎn)變溫度/℃峰溫/℃轉(zhuǎn)變焓/J.g-1復(fù)合貯能材料 30.37 37.41 100.36從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，二元體系脂肪酸復(fù)合貯能材料的相轉(zhuǎn)變溫度比兩個(gè)脂肪酸單獨(dú)存在時(shí)的都要低，為29-43℃，相轉(zhuǎn)變焓為100.36J/g，且在相變過(guò)程中無(wú)流動(dòng)性，一直是以固態(tài)形式存在。
由于包括皂石、貝得石、蛭石、累托石以及凹凸棒土在內(nèi)的各種粘土礦物都與蒙脫土具有相似的礦物結(jié)構(gòu)，因此，上述方法廣泛適用于以此類粘土礦物為基體、經(jīng)與有機(jī)固液相變貯能材料復(fù)合，制得有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料。
權(quán)利要求
1.有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料，其特征是以層狀或?qū)渔湢钫惩恋V物為基體，在其層間，插入有有機(jī)固液相變貯能材料，所述有機(jī)固液相變貯能材料是以納米尺寸存在粘土礦物的層間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料，其特征是所述作為基體的層狀、層鏈狀粘土礦物，其有機(jī)粘土礦物粒度＜76μm，所述有機(jī)固液相變貯能材料在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于85％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料，其特征是所述有機(jī)固液相變貯能材料為石蠟和/或脂肪酸類；所述層狀粘土礦物為蒙脫土、皂石、貝得石、蛭石、累托石；所述層鏈狀粘土礦物為凹凸棒土。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料，其特征是所述有機(jī)粘土礦物為有機(jī)蒙脫土，所述有機(jī)固液相變貯能材料為石蠟，石蠟在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于60％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料，其特征是所述有機(jī)粘土礦物為有機(jī)蒙脫土，所述有機(jī)固液相變貯能材料為硬脂酸，硬脂酸在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于75％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料，其特征是所述有機(jī)粘土礦物為有機(jī)蒙脫土，所述有機(jī)固液相變貯能材料為月桂酸，月桂酸在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于70％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料，其特征是所述有機(jī)粘土礦物為有機(jī)蒙脫土，所述有機(jī)固液相變貯能材料為硬脂酸和月桂酸，硬脂酸和月桂酸在復(fù)合貯能材料中所占的重量比不大于70％。
8.一種權(quán)利要求1或2所述有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料的制備方法，其特征是采用熔融插層法，將有機(jī)粘土礦物與有機(jī)固液相變貯能材料充分混合均勻，進(jìn)行熔融插層至完全復(fù)合，冷卻后即得。
全文摘要
有機(jī)/層狀、層鏈狀粘土礦物納米復(fù)合貯能材料及其制備方法，其特征是以層狀或?qū)渔湢钫惩恋V物為基體，在其層間，插入有有機(jī)固液相變貯能材料，有機(jī)固液相變貯能材料是以納米尺寸存在粘土礦物的層間。有機(jī)固液相變貯能材料是以熔融插層法插入到層狀、層鏈狀粘土礦物的層間。本發(fā)明復(fù)合貯能材料相變過(guò)程中無(wú)液相產(chǎn)生，無(wú)須容器盛裝，相變焓較高，貯能性能比較穩(wěn)定，是一種集有機(jī)固液相變材料潛熱貯能性能和層狀、層鏈狀粘土礦顯熱貯能性能和填料功能于一體的新型的有機(jī)/無(wú)機(jī)納米復(fù)合貯能材料，具有良好的應(yīng)用前景。其制備方法簡(jiǎn)單、操作方便、易于實(shí)施。
文檔編號(hào)C09K5/06GK1580176SQ03132228
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2003年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者于少明, 蔣長(zhǎng)龍 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)