改進的相變組合物的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及更均一的含三水乙酸鈉的相變材料、所述材料的制備方法、以及它們 在相變系統(tǒng)中的實用性。更特別地，本發(fā)明涉及相變組合物的應用，該相變組合物包括三水 乙酸鈉、用于抑制在含三水乙酸鈉的相變材料中形成無水乙酸鈉結(jié)晶的至少一種堿溶性聚 合物、以及至少一種三水乙酸鈉成核促進劑。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 市面上有很多加熱冷卻系統(tǒng)，其中多數(shù)都依賴于化石燃料。隨著對更環(huán)保系統(tǒng)的 需求不斷增加，提出了基于太陽光或水的各種可選擇的系統(tǒng)，諸如，例如太陽光電、太陽能 熱發(fā)電機、水力電氣、波浪發(fā)電和生物燃料。
[0004] 所有的太陽能驅(qū)動可再生能量轉(zhuǎn)換設(shè)備、一些水驅(qū)動設(shè)備以及風力渦輪機的共同 問題在于它們不能"按需"運行，因為太陽不是總在照耀，海浪并不總是很高，風并不一直 吹。這意味著有時這些被稱為間歇可再生能源產(chǎn)生的電力將不易并入它們相應的本地電網(wǎng) 中，正因如此已提出許多存儲方案。
[0005] 在W02009/138771中提出的熱能存儲系統(tǒng)在可用時，將從間歇可再生能源獲得 的過剩電能轉(zhuǎn)換為熱能或冷能，在蓄熱器中儲存這樣轉(zhuǎn)換的熱能或冷能，然后用相變材料 (PCM)通過它們固有的固-液相變化的性能，影響能量轉(zhuǎn)換，將其按需轉(zhuǎn)為有用的熱能或冷 能。
[0006] 對于家庭情況的實際應用，需要這樣的相變材料，該相變材料能夠供應只比個體 所需熱水的舒適水平溫度略高的溫水，或甚至熱水。此外，適用于這種實際應用的相變材料 在它們相變時向內(nèi)以及向外的熱傳遞速率應該與家庭使用相稱，并且傳遞可接受的熱力學 穩(wěn)定性水平（效率）。
[0007] 三水乙酸鈉（SAT)在用于家庭應用所期望的溫度范圍內(nèi)可固-液相變。但是，SAT 作為相變材料（PCM)的實際應用受限于在設(shè)定溫度58°C，從固體SAT熔化為液體SAT與固 體（乙酸鈉/SA)混合物的獨特不一致的方式。不能在58°C獲得完全液態(tài)溶液是個問題， 其體現(xiàn)在水溶液在初始加熱時的熱力學穩(wěn)定性、以及依照相變系統(tǒng)中的正常加熱/冷卻循 環(huán)，在冷卻后重加熱獲得的再形成水溶液的熱力學穩(wěn)定性中。
[0008] 在熔融過程中形成固體對于SAT用作PCM是個問題，因為這個固體SA-經(jīng)形成， 通常將保留在相變系統(tǒng)的PCM的整個使用期中。
[0009] 之前克服這個問題的嘗試是通過應用三維交聯(lián)聚合物，比如纖維素基聚合物和高 吸水性聚合物，來作為固體支撐物，該嘗試并未成功，因為不管初始的固體形成明顯減少， 固體乙酸鈉形成的潛在問題并未解決，隨著時間推移固體乙酸鈉仍將從溶液中沉淀出，不 可逆地聚集在PCM存儲容器的底部。對于作為PCM應用，具有有限使用期的方案不可接受。
[0010] 本發(fā)明的至少一方面的目的在于消除或減輕至少一個或多個前述問題，該問題與 三水乙酸鈉作為潛在PCM用于水相變系統(tǒng)中的應用有關(guān)。
[0011] 本發(fā)明的至少一方面的目的在于提供含三水乙酸鈉的改進的相變材料，該相變材 料具有理想的均一性、抗SA形成性，在相變系統(tǒng)中適用。
[0012] 本發(fā)明的至少一方面的目的在于提供含三水乙酸鈉的改進的相變材料，該相變材 料可以重復循環(huán)地被加熱、冷卻、再加熱，并保有熱力學穩(wěn)定性。
[0013] 申請人開發(fā)了新型的創(chuàng)造性的用作相變材料的水狀組合物，其包括：三水乙酸鈉； 用于抑制在含三水乙酸鈉的相變材料中形成無水乙酸鈉結(jié)晶的至少一種堿溶性聚合物；以 及至少一種三水乙酸鈉成核促進劑。申請人還開發(fā)了所述改進的相變材料的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]申請人開發(fā)了新型的創(chuàng)造性的相變組合物，該相變組合物作為相變材料，含三水 乙酸鈉。
[0015] 相應地，本發(fā)明提供了作為相變材料的含三水乙酸鈉組合物，其包括：
[0016] (a)三水乙酸鈉或無水乙酸鈉；
[0017] (b)至少一種適合的堿溶性聚合物；
[0018] (c)至少一種適合的成核促進劑；以及
[0019] (d)水。
[0020] 如下文實施例所展示，申請人意外地發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明作為相變材料的含三水乙酸鈉 組合物在均一性和熱力學穩(wěn)定性上，比起以前使用三水乙酸鈉作為PCM能夠?qū)崿F(xiàn)的，展現(xiàn) 出前所未有的提高。特別地，申請人發(fā)現(xiàn)本發(fā)明作為相變材料的含三水乙酸鈉組合物在加 熱和冷卻時，抗結(jié)晶乙酸鈉成核。
[0021] 根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了一種根據(jù)本發(fā)明的組合物作為適用于相變系統(tǒng)中的 相變材料的應用。
[0022] 申請人還開發(fā)了一種新型的制備根據(jù)本發(fā)明的組合物的方法。根據(jù)另一方面，本 發(fā)明提供了作為相變材料的含三水乙酸鈉組合物的制備方法，其包括：
[0023](a)將含無水乙酸鈉的水溶液、至少一種適合的堿溶性聚合物和至少一種成核促 進劑混合；
[0024](b)加熱所得混合物，以提供58°C的含三水乙酸鈉的相變材料。
[0025] 當使用三水乙酸鈉時，遵循下列步驟：
[0026] (a)將三水乙酸鈉加熱至溫度超過58°C;以及
[0027](b)將三水乙酸鈉、至少一種適合的堿溶性聚合物和至少一種成核促進劑混合。
[0028] 附圖簡要說明
[0029] 參照附圖，將對本發(fā)明的實施方式僅作為范例進行描述，其中：
[0030] 圖1為乙酸鈉和水的相圖，其示出在約58°C時，乙酸鈉在水中的溶解極限為約 58. 0%，然而相應的在58°C熔化的三水乙酸鈉由60. 28%的SA和39. 72%的水組成，點2指 出的值明顯高于在58°C的溶解極限。
[0031] 圖2為提出的機理，其中聚合物與高亞穩(wěn)定亞臨界乙酸鈉分子簇的表面相互作 用，通過阻斷機理防止或阻止進一步生長成微晶，并因此在適當?shù)臅r候沉淀該物質(zhì)。
[0032] 圖3展現(xiàn)了通過添加各種水平的乙酰胺所獲得的結(jié)晶溫度。
【具體實施方式】
[0033]根據(jù)本發(fā)明的新型組合物為作為相變材料的水狀組合物，該水狀組合物含三水乙 酸鈉NaOAc·3Η20,也被稱為SAT。無水乙酸鈉，也被稱為SA，其任意形式可用于制備根據(jù)本 發(fā)明的作為PCM的含SAT新型組合物。為避免疑義，這意味著因為NaOAc的所有固體形式 都為晶體，因此可使用任何晶形。
[0034] 在制備根據(jù)本發(fā)明的水狀組合物中使用的無水乙酸鈉水平為組合物總重量的約 40%至約60%之間。這對應于在本發(fā)明的水狀組合物中，三水乙酸鈉的相對量為約66%至 約100%。為避免疑義，根據(jù)本發(fā)明的組合物基本不含固體無水乙酸鈉，并更優(yōu)選不含固體 無水乙酸鈉。
[0035] 為避免疑義，當在本文中所述的根據(jù)本發(fā)明的任意特定組合物中，未詳細說明水 的實際量或相對量時，應當理解為，所需水的實際量或相對量無論按重量計或相對體積計， 都將足以使組合物達到100%。可使用純凈水、蒸餾水或正常供應的水。
[0036] 如上文所指出，盡管在對于家庭加熱目的所期望溫度范圍內(nèi)具有相變，迄今將三 水乙酸鈉應用為潛在的PCM仍然會受到阻礙，因為其內(nèi)部熔化不一致。在熔化過程中，在設(shè) 定溫度58°C下，三水乙酸鈉從固體SAT轉(zhuǎn)變至液體SAT和固體的混合物。這是因為形成了 無水乙酸鈉NaOAc或SA。為避免疑義，當本文使用乙酸鈉或SA這個詞時，其指的是無水乙 酸鈉，其不同于任何含水形式，或特別地三水乙酸鈉SAT。如圖1乙酸鈉和水的相圖中點1 所指示，在約58°C時乙酸鈉在水中的溶解極限為約58. 0%，然而相應的在58°C熔化的三水 乙酸鈉由60. 28%的SA和39. 72%的水組成，圖1中點2指出的值明顯高于在58°C的溶解 極限。當在水狀SAT熔化期間形成SA，可通過添加更多的水恢復全液態(tài)，將組合物改變?yōu)?58%SA的組合物，并溶解無水SA，由此在58°C提供全液體材料。如此制備的溶液熱力學穩(wěn) 定，即其不在亞穩(wěn)區(qū)，也不在過飽和區(qū)，因此沒有額外的固體物質(zhì)（SA)會結(jié)晶。
[0037] 如上文所闡述，這種恢復的包括水和三水乙酸鈉的液體溶液不適合用作相變劑， 因為其不能被冷卻然后重加熱來提供熱力學穩(wěn)定的均一液體。如下文所闡述的實施例，申 請人發(fā)現(xiàn)，當這種溶液冷卻，并有一些三水乙酸鈉晶種時，形成三水乙酸鈉的固體樣品。申 請人還發(fā)現(xiàn)當這種冷卻溶液又被加熱至58°C時，形成具有一些固體無水乙酸鈉SA的溶液