[发明专利]一种相变储能热垫及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能性复合材料技术领域，特别涉及一种相变储能热垫及其制备方法。

背景技术

能源利用领域中最重要的课题是节能与环保，而相变蓄能技术是利用相变材料的相变潜热进行能量贮存(蓄热、蓄冷)的一项新型环保节能技术，可以缓解能量双方在时间、强度及地点上不匹配，是合理利用能源及减轻环境污染的有效途径，也是提高能源利用率的有效手段。利用蓄能技术，将供大于求时的能量储存起来，供需要时使用，这样既可以提高能源的利用率也可以缓解能源利用的紧迫性。充分利用相变潜热蓄能成为科研领域的热点。

相变储能材料能够在其物相变化过程中，从外部环境中吸收热(冷)量或向环境释放热(冷)量，从而实现能量的储存和释放。利用相变储能材料的这种特征，可将其应用于太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用、工业与民用建筑供暖和空调的节能以及航空航天、纺织工业等领域。因此相变储能材料日益受到人们的重视，具有广泛的应用前景。

国外对相变材料(PCM)的研究工作早在20世纪60年代就已经开始，当时的研究主要是以节能为目的，主要集中在无机盐水合物方面。但无机盐水合物材料的缺点是存在较大的过冷度和明显的析出现象，以及周期操作下的热稳定性问题。即使添加了成核剂和分散剂仍无法有效解决，限制了共晶盐的应用。然而以石蜡、烷烃、脂肪酸为代表的有机物是目前国内外研究有机相变材料的重点，其优点主要表现在热稳定性好，价格较便宜，热贮存密度大，热稳定性较好，无腐蚀性，无水合盐类相变材料的过冷和相分层现象；缺点是导热系数很低，致使其在蓄热系统的应用中表现出传热性能差、蓄热利用率低的缺点，从而降低了系统的效能，极大限制了有机相变材料的应用领域。本发明正是应用相变材料本身导热性能差的特点，对这个缺点加以利用和改进，并结合化学热力学及生理卫生学方面的知识，从改变人类传统被动式御寒保暖方式，转向主动变热调温的方式为出发点，研制智能“相变蓄热垫”。

发明内容

本发明的目的是提供一种相变储能热垫及其制备方法，以改善结晶水合盐的过冷和相分离现象，硬脂酸的导热系数小等问题，同时使相变材料具有高强度、高导热性、高模量、高耐划痕、耐腐蚀、低密度、良好的柔韧性、较强的蓄热能力等特性。除此之外，还具有操作简单，过程易于控制，合成温度低等优点。

本发明提供了一种相变储能热垫。该热垫由面料层，保护层和主体结构构成，其中的主体结构由海绵层1、蓄热层2、加热层3、绝热层4四部分组成，主体结构最里层为加热层3，加热层3之外上层为蓄热层2，下层为绝热层4，绝热层4和蓄热层2之外为海绵层1；主体结构的外围从内到外依次为保护层5和面料层6，保护层5材料为氢纶，面料层6材料为棉质材料。

在蓄热层2中填充的相变储能材料是硬脂酸与Na₂HPO₄·12H₂O的物理融合物，融合的质量比例是2∶3，并同时加入质量百分比为1％的聚丙烯酰胺。

本发明所采用的相变材料中，硬脂酸分子式为C₁₈H₃₆O₂，为白色单斜晶系棱柱体，是一种以甘油酯形式存在于动物脂肪中的饱和脂肪酸。熔点一般在60-70℃之间。沸点(1标准大气压)为383℃。不易发生自氧化、还原、加成等化学反应。脂肪酸同时具有脱水和热分解的性质，但热分解脱水要在350℃以上才可以发生。硬脂酸作为常用的相变材料，具有较高的潜热值、无过冷和析出、性能稳定等优点，是一种无毒无腐蚀性物质，缺点是导热系数小。

Na₂HPO₄·12H₂O，又称作十二水合磷酸氢二钠，白色或无色单斜晶系棱形晶体，无毒，熔点35℃左右，比重1.52，非在强酸的环境下，不易发生化学反应。在温度为125℃时失去全部结晶水成无水物，250℃分解成焦磷酸钠。具有高潜热值，蓄热、导热性能好等优点，缺点是存在过冷现象。

本发明所采用的加层海绵一是可以使人感觉到舒适，二是可以起到间接传热的作用。海绵的厚度视选用海绵材料的不同品质而定，一般在4-5cm。