專利名稱：有機(jī)相變復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑節(jié)能用材料領(lǐng)域，尤其涉及具有相變調(diào)溫功能的有機(jī)相變 復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒及其制備方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)單位建筑面積的耗能量高達(dá)氣候條件相近發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍，且95%的 建筑物屬于高能耗建筑，建筑能耗占全社會(huì)總能耗的30%左右。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì) 建設(shè)和房地產(chǎn)業(yè)高速增長(zhǎng)，對(duì)資源緊缺、污染日益加劇的中國(guó)帶來更大的電力 負(fù)擔(dān)。因此，建筑節(jié)能對(duì)我國(guó)是一個(gè)極為重要和迫切的課題。
熱能存儲(chǔ)技術(shù)可以緩解建筑物的能量供求在時(shí)間和強(qiáng)度上不匹配的矛盾， 平衡建筑物的供暖與空調(diào)負(fù)荷，大大提高居住環(huán)境的舒適度。應(yīng)用熱能存儲(chǔ)技 術(shù)，不僅可以縮小冷熱源的規(guī)模，節(jié)約初投資，而且，由于電網(wǎng)負(fù)荷峰谷電價(jià) 分計(jì)制的實(shí)行，應(yīng)用熱能存儲(chǔ)技術(shù)還可以降低供暖、空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。另 夕卜，熱能存儲(chǔ)技術(shù)也是在建筑物的供暖、空調(diào)系統(tǒng)中有效存儲(chǔ)、利用太陽能等 低成本清潔能源的重要途徑，有利于環(huán)保、節(jié)能。
太陽能的應(yīng)用需要有效的熱能存儲(chǔ)，而相變材料(phase change material, PCM)發(fā)生相變時(shí)所需要吸收和釋放的大量相變潛熱正好滿足了這種需求，新型 相變型建筑節(jié)能材料的研發(fā)與應(yīng)用是當(dāng)前建筑節(jié)能領(lǐng)域的熱點(diǎn)與最前沿方向。
理想的建筑儲(chǔ)能材料須滿足以下條件1)相變溫度接近人體的舒適度20 26°C; 2)具有足夠大的相變潛熱和熱傳導(dǎo)性；3)相變時(shí)膨脹或收縮性要小；
4)相變的可逆性要好；5)無毒性、無腐蝕性、無降解、無異味；6)制作原料
廉價(jià)易得。早期的研究主要集中于便宜易得的無機(jī)水合鹽上，但由于其嚴(yán)重的 過冷與析出問題，相變建筑材料循環(huán)使用后儲(chǔ)能大大降低和相變溫度范圍波動(dòng) 很大，大大限制了其在建筑材料領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。為了避免無機(jī)相變材料的上
述問題，人們又將研究重點(diǎn)集中到了低揮發(fā)性的無水有機(jī)物，如聚乙二醇，脂 肪酸和石蠟衍生物等。盡管它們的價(jià)格高于普通水合鹽，且單位熱存儲(chǔ)能力低， 但其穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，良好的熱行為和可調(diào)的相變溫度都使其有廣闊的應(yīng) 用前景。
在過去的20年中，容器化的相變材料已經(jīng)被市場(chǎng)應(yīng)用到太陽能領(lǐng)域，但 由于其在相變時(shí)與環(huán)境接觸的面積太小，而使其能量傳遞并不是很有效。相反, 普通建筑材料卻給建筑物每一個(gè)區(qū)域的被動(dòng)式傳熱提供了足夠大的接觸面積， 從而引起了人們更多的重視。研究相變材料與普通建筑材料的結(jié)合方式，研究 相變材料與普通建筑材料的相容性及混合后材料的儲(chǔ)熱、傳熱、機(jī)械及防火特 性是PCM應(yīng)用于建筑材料的關(guān)鍵技術(shù)問題。
當(dāng)前，PCM與基材的結(jié)合技術(shù)主要有3種直接加入、浸入和封裝。直接 加入法便于控制PCM的加入量，浸入法則可對(duì)成品建筑材料進(jìn)行處理。封裝就 是在直接加入前用不同材料、形狀和大小的膠囊包含PCM。封裝技術(shù)有兩種主 要方法， 一是小封裝技術(shù)，就是將小的球形的或桿形的顆粒封裝在薄的高分子 聚乙烯膜中，然后再加入基材；二是大封裝技術(shù)，就是將PCM包含在比較大的 容器如試管、球體、面板等。這些容器既可直接作為熱交換器，也可加入建材 中。這些技術(shù)或者會(huì)影響建材的機(jī)械性能，或者影響到產(chǎn)品的防火性能，實(shí)用 化前景堪憂。
而利用"兩步法"工藝，即首先制作高穩(wěn)定高熱容的相變儲(chǔ)能骨料，再采 用相變儲(chǔ)能骨料，用普通混凝土的制備技術(shù)配制各種類型的相變儲(chǔ)能混凝土建 筑材料，是最有希望的PCM與建筑基材的結(jié)合技術(shù)，必將有著廣闊的應(yīng)用前景。
有人申請(qǐng)了名為一種有機(jī)硅自調(diào)溫節(jié)能環(huán)保墻體材料(申請(qǐng)?zhí)枮?CN03153207.1)，屬于建筑材料領(lǐng)域。把建材和化工相結(jié)合，利用復(fù)合原理， 通過自身熱頻變化機(jī)理，夏季通過墻體吸熱物理變性，室溫下降2-3"C，減少空 調(diào)50%用電量。在冬季通過蓄熱，提高溫室效應(yīng)。施工方便，廣泛應(yīng)用新樓房
裝飾，徹底克服墻面裂縫、結(jié)露、起皮、發(fā)霉等先天不足問題，而且具有很好
殺齒、隔音效果，提高住宅舒適性和功能檔次。它所用原料配比為(kg/m3)硅
藻土 20—25;水鎂石12—15;淀粉4一6;葉蠟石；殼聚糖；有機(jī)硅乳 液；纖維素C棕櫚酸酯5—7;石蠟5—8;漂珠；氫氧化鈉。它具有一定 的調(diào)節(jié)室溫作用但效果不明顯，不宜大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。還有人申請(qǐng)了 一種名 為一種自調(diào)溫建筑墻體抹面砂漿材料及其制備方法的專利(申請(qǐng)?zhí)枮?br> CN200310112982.5)，提供一種不會(huì)滲出，不結(jié)霜，其性能穩(wěn)定的自調(diào)溫建
筑墻體抹面砂漿材料及其制備方法。技術(shù)方案為 一種自調(diào)溫建筑墻體抹面砂 漿材料，其特征在于所述砂漿材料含有下述重量百分比的配料相變復(fù)合材
料5 15%;建筑砂20 50%，膠凝材料30 50%,抗菌防霉添加劑1 5%，
余量為水。其制備方法為先將上述建筑砂、膠凝材料、抗菌防霉添加劑，余 量為水充分混合后，再加入相變復(fù)合材料，混合均勻后直接用于建筑施工墻面; 其生產(chǎn)方法簡(jiǎn)單，省時(shí)省力，且室溫的波動(dòng)幅度降低4 6。C，空調(diào)使用時(shí)間減 少2小時(shí)/天以上，成本低，易于推廣和實(shí)施。但其調(diào)節(jié)范圍和材料的使用壽命 較低，難以打規(guī)模推廣。還有人申請(qǐng)了名為蓄能建筑材料及其制備方法(專利 申請(qǐng)?zhí)枮镃N200410G41384.8)，它由癸酸、月桂酸組成的混合物與建筑基體材 料復(fù)合而成，癸酸與月桂酸按質(zhì)量比(1 8): 1。本發(fā)明的制備方法是將癸酸和 月桂酸分別加熱，待它們完全熔化后，按上述的比例范圍混合形成一種癸酸和 月桂酸的共熔混合物；再將該共熔混合物加熱至完全熔化狀態(tài)，復(fù)合到建筑基 體材料中，形成一種蓄能建筑材料。在建筑節(jié)能領(lǐng)域，通過墻體材料與蓄能材 料復(fù)合，可以增加建筑物的溫度調(diào)節(jié)能力，達(dá)到節(jié)能和舒適的目的。該蓄能材 料的相變溫度(19-24°0與房間內(nèi)的調(diào)節(jié)溫度(18-25'C)相吻合，相變潛熱較高 (120-150kJ/kg)，無過冷和相分離現(xiàn)象，無毒、無腐蝕性，性能穩(wěn)定、重復(fù)性 好。它雖然解決了相分離的缺點(diǎn)，但其相變材料和建筑基料的混合方式仍然為 簡(jiǎn)單的混合，其效果較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有復(fù)相微結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性能好、相變儲(chǔ)能熱容高、 工藝簡(jiǎn)單、成本低、易實(shí)施的相變儲(chǔ)能骨料即有機(jī)相變復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒及其 制備方法。
本發(fā)明的上述基數(shù)目的是通過一下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的
一種有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒，其特征在于它是由輕質(zhì)燒結(jié)陶粒、
有機(jī)相變材料和阻燃劑組成，這三者的質(zhì)量比為i : o. 5 5: o. i o. 5，所述 的有機(jī)相變材料和阻燃劑處于輕質(zhì)燒結(jié)陶粒中。所述輕質(zhì)燒結(jié)陶粒為一種容重
為100 400kg/ii^的經(jīng)燒結(jié)工藝制得的陶質(zhì)多孔隙顆粒骨料，所述的有機(jī)相變材
料一般為有機(jī)硅或硬脂酸正丁酯、有機(jī)樹脂乳液、固化劑組成的混合物，還可 以是十二醇或十四醇和礦物質(zhì)組成的材料，還可以是聚乙烯醇、石蠟、正十六 烷、正十七烷等，所述的阻燃劑目的是防止有機(jī)相變材料在高溫條件下燃燒， 一般為普通的建筑材料用阻燃劑如硼酸、硼砂、磷酸銨、磷酸、鹵化石鈉、含 鹵的垸烴等。
作為優(yōu)選，所述的有機(jī)相變材料是熔點(diǎn)為15 4(TC的聚乙二醇、脂肪酸、 石蠟或石蠟衍生物中的一種或多種。優(yōu)選相變溫度在20 28。C的上述材料。 作為優(yōu)選，所述的阻燃劑為磷酸銨、磷酸或含鹵烷烴中的一種或多種。 作為優(yōu)選，所述的輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒的粒徑范圍為1 12mm。 上述有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒的制備方法，采用的是真空吸附制備 方法，其步驟如下在真空反應(yīng)釜或其它容器中，將輕質(zhì)燒結(jié)陶粒、有機(jī)相變 材料和阻燃劑在50 18(TC的溫度下按質(zhì)量比1 : 0. 5 5 : 0. 1 0. 5混合均勻； 緩慢打開放氣閥門，降低反應(yīng)釜內(nèi)真空度至常壓，將溶解并均勻包裹于輕質(zhì)燒 結(jié)陶粒顆粒表面的有機(jī)相變材料和阻燃劑完全吸附滲透進(jìn)入輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒 內(nèi)部孔隙；降溫，卸料，即獲得了有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒。
因此，本發(fā)明具有以下有益效果
1. 有機(jī)相變材料和阻燃劑完全滲透進(jìn)入了輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒內(nèi)部孔隙，從 而解決了有機(jī)相變材料與普通建筑材料結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)問題，消除了有機(jī)相變 材料對(duì)建材機(jī)械性能和防火性能的影響。
2. 有機(jī)相變材料循環(huán)相變的整個(gè)過程均發(fā)生于輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒內(nèi)部孔 隙中，徹底解決了相變儲(chǔ)能骨料的循環(huán)工作穩(wěn)定性能和防滲透穩(wěn)定性能。
3. 充分利用了輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒輕容重和大內(nèi)部孔隙的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較高 的有機(jī)相變材料摻入量，保證了這種新型相變儲(chǔ)能骨料具有高的相變儲(chǔ)能熱容。
4. 制備工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)施與控制，利于工業(yè)化推廣應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1:在真空反應(yīng)釜中，將粒徑范圍為1 4mm的燒結(jié)型輕質(zhì)燒結(jié)陶粒、 熔點(diǎn)為20'C左右的聚乙二醇有機(jī)相變材料和磷酸銨阻燃劑在50 6(TC的溫度 下按質(zhì)量比1:5: 0.5混合均勻；緩慢打開放氣閥門，降低反應(yīng)釜內(nèi)真空度至 常壓，將溶解并均勻包裹于輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒表面的聚乙二醇和阻燃劑吸附滲
透進(jìn)入輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒內(nèi)部孔隙；降溫，卸料，即獲得了相變溫度為2crc左
右的有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒。將所得的陶粒加入混凝土中即可用于建
筑施工， 一般每百公斤混凝土中加入10 40公斤陶粒。
通過對(duì)聚乙二醇的預(yù)先著色并采用光學(xué)顯微鏡對(duì)有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒 結(jié)陶粒顆粒斷面情況的測(cè)試分析表明，聚乙二醇和阻燃劑己經(jīng)完全滲透進(jìn)入了 輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒內(nèi)部孔隙。這種有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒料表面 基本親水，火焰中不會(huì)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，同時(shí)在反復(fù)加熱冷卻2000個(gè)循環(huán)的情況 下，不會(huì)出現(xiàn)聚乙二醇和阻燃劑滲漏和分解的情況。加入本發(fā)明所述的陶粒后， 所制成的墻板可以降低室內(nèi)溫度波動(dòng)6。C左右，節(jié)能效果顯著。
實(shí)施例2
在真空反應(yīng)釜中，將粒徑范圍為5 1 2mm的免燒型輕質(zhì)燒結(jié)陶粒、熔點(diǎn) 為30。C左右的脂肪酸有機(jī)相變材料和阻燃劑在100 110。C的溫度下按質(zhì)量比
i : 2 : 0.2混合均勻；緩慢打開放氣閥門，降低反應(yīng)釜內(nèi)真空度至常壓，將溶
解并均勻包裹于輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒表面的脂肪酸和阻燃劑吸附滲透進(jìn)入輕質(zhì)燒
結(jié)陶粒顆粒內(nèi)部孔隙；降溫，卸料，即獲得了相變溫度為3(TC左右的有機(jī)相變
材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒。
通過對(duì)脂肪酸的預(yù)先著色并采用光學(xué)顯微鏡對(duì)有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié) 陶粒顆粒斷面情況的測(cè)試分析表明，脂肪酸和阻燃劑已經(jīng)完全滲透進(jìn)入了輕質(zhì) 燒結(jié)陶粒顆粒內(nèi)部孔隙。這種有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒料表面基本
親水，火焰中不會(huì)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，同時(shí)在反復(fù)加熱冷卻2000個(gè)循環(huán)的情況下，
不會(huì)出現(xiàn)脂肪酸滲漏和分解的情況。
實(shí)施例3
在真空反應(yīng)釜中，將粒徑為8 10mm左右的免燒型輕質(zhì)燒結(jié)陶粒、熔點(diǎn)為 35。C左右的石蠟有機(jī)相變材料和阻燃劑在14(TC的溫度下按質(zhì)量比1 : 0.5 : 0.1混合均勻；緩慢打開放氣閥門，降低反應(yīng)釜內(nèi)真空度至常壓，將溶解并均 勻包裹于輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒表面的石蠟和阻燃劑吸附滲透進(jìn)入輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆 粒內(nèi)部孔隙；降溫，卸料，即獲得了相變溫度為35"C左右的有機(jī)相變材料復(fù)合 輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒。
通過對(duì)石蠟的預(yù)先著色并采用光學(xué)顯微鏡對(duì)有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶 粒顆粒斷面情況的測(cè)試分析表明，石蠟和阻燃劑己經(jīng)完全滲透進(jìn)入了輕質(zhì)燒結(jié) 陶粒顆粒內(nèi)部孔隙。這種有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒料表面基本親水， 火焰中不會(huì)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，同時(shí)在反復(fù)加熱冷卻2000個(gè)循環(huán)的情況下，不會(huì)出 現(xiàn)石蠟滲漏和分解的情況。
權(quán)利要求
1、一種有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒，其特征在于它是由輕質(zhì)陶粒、有機(jī)相變材料和阻燃劑組成，這三者的質(zhì)量比為1∶0.5～5∶0.1～0.5，所述的有機(jī)相變材料和阻燃劑處于輕質(zhì)燒結(jié)陶粒中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒，其特征在于所述的阻燃劑為磷酸銨、磷酸或含鹵烷烴中的一種或多種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒，其特征在于 所述的有機(jī)相變材料是熔點(diǎn)在15 4(TC間的聚乙二醇、脂肪酸、石蠟或石蠟衍 生物中的一種或多種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒，其 特征在于所述的輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒的粒徑范圍為1 12mm。
5、 一種制造權(quán)利要求1所述的有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒方法，其特 征在于其包括以下步驟A:低壓條件下，將輕質(zhì)燒結(jié)陶粒、有機(jī)相變材料和阻燃劑在50 18(TC的 溫度下按質(zhì)量比1 : 0. 5 5 : 0. 1 0. 5混合均勻；B:將系統(tǒng)升至常壓，將溶解并均勻包裹于輕質(zhì)燒結(jié)陶粒表面的有機(jī)相變材料和阻燃劑完全吸附滲透進(jìn)入輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒內(nèi)部孔隙；C:降溫，卸料，即獲得了有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒方法，其特 征在于所述的低壓條件為壓力小于0. 05Mpa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有相變調(diào)溫功能的有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。輕質(zhì)燒結(jié)陶粒包裹有機(jī)相變材料和阻燃劑，它采用真空吸附制備將有機(jī)相變材料和阻燃劑滲透進(jìn)入輕質(zhì)燒結(jié)陶粒內(nèi)部孔隙而制成。其制備方法是在真空反應(yīng)釜中，將輕質(zhì)燒結(jié)陶粒、有機(jī)相變材料和阻燃劑按比例混合均勻后緩慢打開放氣閥門，降低反應(yīng)釜內(nèi)真空度至常壓，將溶解并包裹于輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒表面的有機(jī)相變材料和阻燃劑吸附滲透進(jìn)入輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒內(nèi)部孔隙；降溫，卸料，即獲得有機(jī)相變材料復(fù)合輕質(zhì)燒結(jié)陶粒顆粒。本發(fā)明消除了有機(jī)相變材料對(duì)建材機(jī)械性能和防火性能的影響；保證了高相變儲(chǔ)能熱容，相變儲(chǔ)能骨料循環(huán)工作穩(wěn)定、防滲透性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C04B24/00GK101096297SQ20061005216
公開日2008年1月2日 申請(qǐng)日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日
發(fā)明者樊先平, 王小山, 王智宇, 錢國(guó)棟, 華 阮 申請(qǐng)人:寧波榮山新型材料有限公司