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CN112867775A - 潜热储存组合物 - Google Patents

潜热储存组合物 Download PDF

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CN112867775A
CN112867775A CN201980064150.XA CN201980064150A CN112867775A CN 112867775 A CN112867775 A CN 112867775A CN 201980064150 A CN201980064150 A CN 201980064150A CN 112867775 A CN112867775 A CN 112867775A
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李承沿
郑荣洙
池银玉
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OCI Co Ltd
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    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
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Abstract

本发明涉及用于储存潜热的组合物，并且更具体地，涉及仅由第一相变材料和第二相变材料的混合物以及热解法二氧化硅组成的用于储存潜热的组合物。第一相变材料和第二相变材料各自独立地包括脂肪酸或其酯，并且热解法二氧化硅的重量比为5重量％至15重量％。

Description

潜热储存组合物
技术领域
本文中公开的本发明涉及一种潜热储存组合物，并且更具体地，涉及一种包含相变材料的混合物的潜热储存组合物。
背景技术
潜热意指由物质在从固相到液相或者从液相到固相的相变期间吸收或释放的热量。相变材料意指利用这样的潜热吸收和/或释放热量的物质。
相变材料具有大的每单位体积和单位质量的热能储存容量，并且与显热装置相比具有大幅减小其体积或重量的优点。相变材料没有严重的温跃层现象，并且具有在适合于所使用温度的范围内在几乎恒温储热和散热的优点。
由于相变材料在高于其熔点的温度具有液相，所以将相变材料放入形状不改变的塑料箱中进行包装，并且使用。然而，塑料箱具有生产成本高和较重的缺点。
发明内容
技术问题
本发明要解决的一个任务是提供一种不流动并且具有半固体状态的潜热储存组合物。
本发明要解决的另一个任务是提供一种包含均匀混合的相变材料的混合物的潜热储存组合物。
技术方案
根据本发明构思的潜热储存组合物由以下各项组成：第一相变材料和第二相变材料的混合物；以及热解法二氧化硅，其中所述第一相变材料和所述第二相变材料各自独立地包括脂肪酸或其酯，并且所述热解法二氧化硅的重量比可以为5重量％至15重量％。
根据另一个发明构思的潜热储存组合物包含第一相变材料和第二相变材料，其中所述第一相变材料包括化合物CXH2X+1COOR1，所述第二相变材料包括化合物CYH2Y+1COOR1，X和Y是不同的整数，X和Y各自都是11至17的整数，并且所述第一相变材料的R1和所述第二相变材料的R1可以相同并且是C1-C4烷基。
有益效果
根据本发明的潜热储存组合物可以大幅提高粘度，同时原样保持组成所述组合物的相变材料的物理性质，比如熔点和潜热。因此，潜热储存组合物在高于相变材料的熔点的温度可以处于非流动性半固体状态。由于潜热储存组合物可以在潜热储存包中保持其形状，因此潜热储存包的处理可以是容易的。
另外，根据本发明的潜热储存组合物可以通过将选自由脂肪酸及其酯组成的化合物组中的两种相变材料混合来形成具有所需熔点和潜热的均匀混合物。
附图简述
图1是示出根据本发明实施方案的一种潜热储存包的横截面图。
图2是示出根据本发明一个实施方案的图1中的潜热储存组合物的构成材料的放大图。
图3是示出根据本发明另一个实施方案的潜热储存包的横截面图。
图4A是示出根据本发明第一实验例的混合物的DSC分析结果的图。
图4B是示出根据混合物(根据本发明第一实验例)的组合物的潜热的图。
图5A是示出根据本发明第二实验例的混合物的DSC分析结果的图。
图5B是示出根据混合物(根据本发明第二实验例)的组合物的潜热的图。
图6A是示出根据本发明第三实验例的混合物的DSC分析结果的图。
图6B是示出根据混合物(根据本发明第三实验例)的组合物的潜热的图。
发明实施方式
为了充分理解本发明的配置和效果，将参照附图描述本发明的优选实施方案。然而，本发明不应被构造为限于本文中所列出的实施方案，而是可以以多种类型实施，并且可以进行各种改变。相反，提供这些实施方案以使得本公开将是充分和完整的，并且将全面地传达本发明的范围给本领域技术人员。
本说明书中使用的术语用于描述实施方案，而不打算限制本发明。在本说明书中，除非上下文另外明确指明，单数形式旨在也包括复数形式。要理解的是，本说明书中使用的术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”不排除存在或者加入一个或多个其他构成要素。
图1是示出根据本发明实施方案的一种潜热储存包的横截面图。参照图1，潜热储存包(PAC)可以包括潜热储存组合物(HSC)和包封所述潜热储存组合物(HSC)的包装材料(PM)。例如，包装材料(PM)可以包括选自由以下各项组成的组中的至少一种：聚乙烯(PE)、线型低密度聚乙烯(LLDPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。潜热储存包(PAC)的包装材料(PM)可以是薄膜。因此，可以减轻潜热储存包(PAC)的重量，并且可以降低生产成本。
根据本发明第一实施方案的潜热储存组合物(HSC)可以包含第一相变材料和第二相变材料。换言之，潜热储存组合物(HSC)可以包含第一相变材料和第二相变材料的混合物。
相变材料可以是熔点或凝固点在-30℃至30℃范围内的材料。相变材料在熔点从固体到液体的相变期间可以吸收热量。相变材料在凝固点从液体到固体的相变期间可以释放热量。在相变材料在熔点或凝固点发生相变的同时，相变材料的温度可以保持不变。在相变材料在熔点或凝固点发生相变的同时，但是相变材料的温度可以略有变化。
根据本发明实施方案的第一相变材料和第二相变材料可以包括脂肪酸及其酯中的至少一种。第一相变材料和第二相变材料可以各自独立地包括化合物CXH2X+1COOR1。X可以是11至17的整数，并且R1可以是氢或C1-C4烷基。例如，第一相变材料和第二相变材料可以各自独立地选自由以下各项组成的组：月桂酸或其酯、肉豆蔻酸或其酯、棕榈酸或其酯以及硬脂酸或其酯。
在本发明的一个实施方案中，第一相变材料可以是化合物CXH2X+1COOR1，并且第二相变材料可以是化合物CYH2Y+1COOR1。X和Y各自都可以是11至17的整数，并且X和Y可以具有不同的值。第一相变材料的R1和第二相变材料的R1可以是相同的官能团，并且可以是氢或C1-C4烷基。如果第一相变材料的官能团(R1)和第二相变材料的官能团(R1)相同，则可以将第一相变材料和第二相变材料均匀混合而形成低共熔混合物，下文将会对此进行解释。
第一相变材料和第二相变材料的混合物可以是低共熔混合物。例如，如果第一相变材料的熔点为第一温度，并且第二相变材料的熔点为第二温度，则它们的混合物可以不具有第一温度和第二温度的两个熔点，而是具有第三温度的一个熔点。换言之，第一相变材料和第二相变材料的混合物可以具有一个熔点(或一个凝固点)。第三温度可以是在第一温度和第二温度之间的值。第三温度可以低于第一温度和/或第二温度。第三温度可以高于第一温度和/或第二温度。
如果混合物中的第一相变材料的浓度升高，则混合物的熔点可以接近作为第一相变材料的熔点的第一温度。如果混合物中的第二相变材料的浓度升高，则混合物的熔点可以接近作为第二相变材料的熔点的第二温度。结果，通过控制第一相变材料和第二相变材料的组成比，可以控制潜热储存组合物(HSC)具有所需的熔点或凝固点。
<第一实验例>
通过将作为第一相变材料(A)的棕榈酸甲酯和作为第二相变材料(B)的月桂酸甲酯以0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1和10∶0的重量比混合来制备混合物。对于混合物，进行差示扫描量热(DSC)分析，并且结果在图4A和以下表1中示出。表1中关于潜热的数据在图4B中以曲线示出。
[表1]
A/(A+B)(重量％) 熔点(℃) 潜热(J/g)
0 5.98 167.44
10 0.42 163.02
20 -0.72 161.84
30 -0.45 150.19
40 -0.7 172.34
50 -0.45 165.9
60 -1.35 174.58
70 4.92 174.71
80 22.74 179.11
90 25.75 158.6
100 30.22 196.76
参照图4A、图4B和表1，可以确认混合物的熔点与第一相变材料(A)的熔点(30.22℃)和第二相变材料(B)的熔点(5.98℃)不同。可以确认，在混合物的组成比(A/(A+B))为10％至70％的范围内，混合物的熔点与第二相变材料(B)的熔点(5.98℃)相比降低。确认混合物的潜热在第一相变材料(A)的潜热(196.76J/g)和第二相变材料(B)的潜热(167.44J/g)之间的范围内没有大的变化。
<第二实验例>
通过将作为第一相变材料(A)的肉豆蔻酸甲酯和作为第二相变材料(B)的月桂酸甲酯以0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1和10∶0的重量比混合来制备混合物。对于混合物，进行差示扫描量热(DSC)分析，并且结果在图5A和以下表2中示出。表2中关于潜热的数据在图5B中以曲线示出。
[表2]
A/(A+B)(重量％) 熔点(℃) 潜热(J/g)
0 5.98 167.44
10 -1.14 149.32
20 -2.32 187.49
30 -2.04 194.81
40 -2.31 200.65
50 -2.28 164.16
60 -2.41 193.75
70 -2.22 236.91
80 -2.85 225.05
90 13.08 142
100 19.22 182.29
参照图5A、图5B和表2，可以确认混合物的熔点与第一相变材料(A)的熔点(19.22℃)和第二相变材料(B)的熔点(5.98℃)不同。换言之，可以确认混合物的熔点与第二相变材料(B)的熔点(5.98℃)相比降低。可以确认，在混合物的组成比(A/(A+B))在20％至40％和60％至80％的范围内，混合物的潜热与第一相变材料(A)的潜热(182.29J/g)相比升高。结果，确认由于特定组成比的混合物与单独第一相变材料(A)情形或单独第二相变材料(B)情形相比具有进一步提高的潜热，所以如果用于潜热储存组合物，可以实现甚至更高的效率。
<第三实验例>
通过将作为第一相变材料(A)的硬脂酸丁酯和作为第二相变材料(B)的月桂酸丁酯以0∶10、2∶8、5∶5、8∶2和10∶0的重量比混合来制备混合物。对于混合物，进行差示扫描量热(DSC)分析，并且结果在图6A和以下表3中示出。表3中关于潜热的数据在图6B中以曲线示出。
[表3]
A/(A+B)(重量％) 熔点(℃) 潜热(J/g)
0 -5.02 182.77
20 -8.6 165.53
50 -9.52 219.3
80 19.14 151.79
100 27.79 113.76
参照图6A、图6B和表3，可以确认混合物的熔点与第一相变材料(A)的熔点(27.79℃)和第二相变材料(B)的熔点(-5.02℃)不同。可以确认，在混合物的组成比(A/(A+B))为20％至50％的范围内，混合物的熔点与第二相变材料(B)的熔点(-5.02℃)相比降低。可以确认，在混合物的组成比(A/(A+B))为30％至70％的范围内，混合物的潜热与第二相变材料(B)的潜热(182.77J/g)相比升高。结果，确认由于特定组成比的混合物与单独第一相变材料(A)情形或单独第二相变材料(B)情形相比具有进一步提高的潜热，所以如果用于潜热储存组合物，可以实现甚至更高的效率。
图2是示出根据本发明一个实施方案的图1中的潜热储存组合物的构成材料的放大图。
参照图1和图2，根据本发明第二实施方案的潜热储存组合物(HSC)可以包含第一相变材料和第二相变材料的混合物(PCM)以及热解法二氧化硅(FS)。在一个实施方案中，潜热储存组合物(HSC)可以仅由第一相变材料和第二相变材料的混合物(PCM)以及热解法二氧化硅(FS)组成。第一相变材料和第二相变材料的混合物(PCM)可以与通过上述第一实施方案所解释的混合物大致相同。
潜热储存组合物(HSC)可以不包含除了混合物(PCM)和热解法二氧化硅(FS)以外的额外材料。如果潜热储存组合物(HSC)包含额外材料，则额外材料可能影响混合物(PCM)的相变特性(例如，熔点和潜热)。
热解法二氧化硅(FS)可以包括非晶态二氧化硅。如果热解法二氧化硅(FS)单独存在，则其可以是白色粉末型。热解法二氧化硅(FS)可以是亲水性的。构成热解法二氧化硅(FS)的一次粒子(PP)的平均直径可以是5nm至50nm。一次粒子(PP)的比表面积可以是50m2/g至600m2/g。
热解法二氧化硅(FS)可以通过将氯硅烷在利用氧气和氢气形成的1000℃以上的火焰中水解来形成。因为一次粒子(PP)由于在火焰中形成的一次粒子(PP)之间的碰撞而彼此相连，所以可以形成团聚物(AG)。换言之，团聚物(AG)可以包括多个一次粒子(PP)。团聚物(AG)可以具有三维结构。团聚物(AG)的尺寸可以是1μm至500μm。
由于根据此实施方案的混合物(PCM)选自由脂肪酸及其酯组成的化合物组中，因此混合物(PCM)可以是亲水性的。由于热解法二氧化硅(FS)也是亲水性的，因此混合物(PCM)和热解法二氧化硅(FS)可以混合良好。
在热解法二氧化硅(FS)的三维分支结构中，可以捕获混合物(PCM)。换言之，热解法二氧化硅(FS)的团聚物(AG)可以是载体，并且混合物(PCM)可以包围团聚物(AG)。在高于混合物(PCM)的熔点的温度，混合物(PCM)可以是液态。在此实施方案中，热解法二氧化硅(FS)的团聚物(AG)可以捕获混合物(PCM)。因此，潜热储存组合物(HSC)在高于混合物(PCM)的熔点的温度可以具有半固体状态。潜热储存组合物(HSC)在低于混合物(PCM)的熔点的温度可以是固体状态。
本发明的说明书中使用的术语“半固体状态”可以意指材料几乎不流动但保持其形状的状态。半固体状态可以是凝胶状状态。半固体状态的组合物的粘度可以是10cp至200cp。换言之，潜热储存组合物(HSC)在高于混合物(PCM)的熔点的温度的粘度可以是10cp至200cp。
如果如在第一实验例中那样潜热储存组合物(HSC)仅由第一相变材料和第二相变材料组成，则潜热储存组合物(HSC)在高于混合物的熔点的温度可能是液态。在此情况下，潜热储存包(PAC)的形状可能容易地变化。
另一方面，根据第二实施方案的潜热储存组合物(HSC)在高于混合物(PCM)的熔点的温度可以不以液态存在，而是以半固态存在。因此，在高于混合物(PCM)的熔点的温度，可以保持潜热储存包(PAC)的形状而没有大的变化，并且潜热储存包(PAC)的处理可以变得容易。另外，即使潜热储存包(PAC)的包装材料(PM)部分损坏，也可以防止潜热储存组合物(HSC)流出。
基于潜热储存组合物(HSC)的总重量，热解法二氧化硅(FS)的重量比可以是5重量％至15重量％。如果热解法二氧化硅(FS)的重量比小于5重量％，则潜热储存组合物(HSC)在高于熔点的温度可能类似于液体流动(例如，粘度小于10cp)。因此，潜热储存包(PAC)的形状可能变化。如果热解法二氧化硅(FS)的重量比大于15重量％，则未均匀混合在潜热储存组合物(HSC)中的二氧化硅粉末可能被残留。另外，每单位质量潜热储存组合物(HSC)可储存的能量可能减少。
潜热储存组合物(HSC)的熔点和混合物(PCM)的熔点之间的差可以是0.01℃至0.5℃。换言之，尽管热解法二氧化硅(FS)与混合物(PCM)混合，但是混合物(PCM)的除粘度以外的物理性质(例如，熔点和潜热)可以基本上不变。
形成潜热储存组合物(HSC)可以包括将相变材料的混合物(PCM)和热解法二氧化硅(FS)混合。具体地，通过将混合物(PCM)与热解法二氧化硅(FS)在液态下混合，可以形成潜热储存组合物(HSC)。换言之，可以在高于混合物(PCM)的熔点的温度，将混合物(PCM)和热解法二氧化硅(FS)均匀地混合而形成潜热储存组合物(HSC)。
再次参照图1，根据本发明第三实施方案的潜热储存组合物(HSC)可以包含第一相变材料和第二相变材料的混合物以及高吸水性聚合物。例如，潜热储存组合物(HSC)可以仅由相变材料的混合物和高吸水性聚合物组成。相变材料的混合物可以与通过上述第一实施方案所解释的混合物大致相同。
高吸水性聚合物可以是能够吸收其重量的40至1000倍的水的粒子。例如，高吸水性聚合物可以包括选自由以下各项组成的组中的至少一种：聚丙烯酸、淀粉交联的聚丙烯酸、水解淀粉-丙烯腈接枝聚合物、皂化乙酸乙烯酯-丙烯酸酯聚合物、淀粉-丙烯酸接枝聚合物、水解丙烯腈聚合物、丙烯酸钠聚合物、甲基丙烯酸钠聚合物、水解丙烯酰胺聚合物、水解丙烯腈聚合物、丙烯酸甲基丙烯酸共聚物和丙烯酸丙烯酰胺共聚物。
在此实施方案中，相变材料的混合物可以被作为中心的高吸水性聚合物的粒子捕获。因此，潜热储存组合物(HSC)在高于混合物的熔点的温度可以具有半固体状态。
在此实施方案中，基于潜热储存组合物(HSC)的总重量，高吸水性聚合物的重量比可以是0.5重量％至5重量％。
此实施方案中的潜热储存组合物(HSC)的形成可以包括将相变材料的混合物和高吸水性聚合物混合。具体地，通过将混合物和高吸水性聚合物在液态下混合，可以形成潜热储存组合物(HSC)。
图3是示出根据本发明另一个实施方案的潜热储存包的横截面图。参照图3，潜热储存包(PAC)可以包括泡沫(FO)、渗入或被吸收在泡沫(FO)中的混合物(PCM)以及包封泡沫(FO)的包装材料(PM)。混合物(PCM)可以包含第一相变材料和第二相变材料，并且对其的解释可以与通过上述第一实施方案所解释的混合物大致相同。
泡沫(FO)可以包括能够在其中储存混合物(PCM)的空间(SP)。泡沫(FO)可以具有海绵形状。在包装材料(PM)中，泡沫(FO)可以保持一定形状。由于泡沫(FO)充当载体，因此甚至在高于混合物(PCM)的熔点的温度，潜热储存包(PAC)的形状可以保持而没有显著变形。在一个实施方案中，泡沫(FO)可以包括聚氨酯。混合物(PCM)可以储存在泡沫(FO)中的空间(SP)中。

Claims (11)

1.一种潜热储存组合物，所述潜热储存组合物由以下各项组成：
第一相变材料和第二相变材料的混合物；以及
热解法二氧化硅，
其中所述第一相变材料和所述第二相变材料各自独立地包括脂肪酸或其酯，并且
所述热解法二氧化硅的重量比为5重量％至15重量％。
2.权利要求1所述的潜热储存组合物，所述潜热储存组合物在高于所述混合物的熔点的温度具有10cp至200cp的粘度。
3.权利要求1所述的潜热储存组合物，其中所述热解法二氧化硅包括通过一次粒子的连接而形成的团聚物，并且
所述混合物包围所述团聚物。
4.权利要求3所述的潜热储存组合物，其中所述团聚物具有三维分支结构，并且
所述混合物被捕获在所述三维分支结构中。
5.权利要求1所述的潜热储存组合物，其中所述混合物具有第一熔点，
所述潜热储存组合物具有第二熔点，并且
所述第一熔点和所述第二熔点之间的差为0.01℃至0.5℃。
6.一种潜热储存组合物，所述潜热储存组合物包含第一相变材料和第二相变材料，其中
所述第一相变材料包括化合物CXH2X+1COOR1，
所述第二相变材料包括化合物CYH2Y+1COOR1，
X和Y是不同的整数，X和Y各自都是11至17的整数，并且
所述第一相变材料的R1和所述第二相变材料的R1相同并且是C1-C4烷基。
7.权利要求6所述的潜热储存组合物，其中
所述第一相变材料包括肉豆蔻酸甲酯，
所述第二相变材料包括月桂酸甲酯，并且
所述混合物中的所述第一相变材料的重量比为20重量％至40重量％和60重量％至80重量％。
8.权利要求6所述的潜热储存组合物，其中
所述第一相变材料包括硬脂酸丁酯，
所述第二相变材料包括月桂酸丁酯，并且
所述混合物中的所述第一相变材料的重量比为30重量％至70重量％。
9.权利要求6所述的潜热储存组合物，所述潜热储存组合物还包含热解法二氧化硅，并且
所述热解法二氧化硅的重量比为5重量％至15重量％。
10.权利要求6所述的潜热储存组合物，所述潜热储存组合物还包含高吸水性聚合物，
所述高吸水性聚合物包括选自由以下各项组成的组中的至少一种：聚丙烯酸、淀粉交联的聚丙烯酸、水解淀粉-丙烯腈接枝聚合物、皂化乙酸乙烯酯-丙烯酸酯聚合物、淀粉-丙烯酸接枝聚合物、水解丙烯腈聚合物、丙烯酸钠聚合物、甲基丙烯酸钠聚合物、水解丙烯酰胺聚合物、水解丙烯腈聚合物、丙烯酸甲基丙烯酸共聚物以及丙烯酸丙烯酰胺共聚物，并且
所述高吸水性聚合物的重量比为0.5重量％至5重量％。
11.权利要求6所述的潜热储存组合物，所述潜热储存组合物还包含发泡剂，并且
所述发泡剂包含能够在其中储存所述混合物的空间。
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