[发明专利]用可再生相变材料储存潜热

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求2015年1月26日提交的美国专利申请14/605,344的优先权和权益，其全部内容通过引用结合到本文中。

发明背景

相变材料(PCM)用于通过相转变储存和释放热能，最常见通过熔融和结晶。在这些转变中储存和释放的能量被称为潜热，潜热储存是储存热能最有效的技术之一。

在商业和工业环境中，用数个不同种类PCM储存热量。在PCM种类之间的不同温度范围一般指示哪种类型PCM适用于特定应用。PCM最常基于其化学组成分类。无机PCM，例如水合和熔融盐，通常用于高温应用，而有机PCM，例如脂肪酸和石蜡，在较低温度使用。石蜡是最广泛使用的PCM之一。石蜡的熔点取决于石蜡中的碳原子数，一般随平均碳数提高。

由于环境问题和与限制原油储量相关的经济成本增加及与石化相关的相应成本增加，石蜡的可再生替代正吸引相当大注意。蜡烛中石蜡组成的分析显示，它们也包含危险物质，例如甲苯、三氯乙烯和各种烷烃和烯烃，很多有未知的安全问题。由于这些毒性问题和原料的不可再生性，对其它类型可再生PCM的兴趣和需要一直在增加。脂肪酸衍生物质为很多应用中替代石蜡的适合候选物，它们可以为非毒性，可再生，并且比无机PCM有更小腐蚀性。然而，至今生产的脂肪酸衍生PCM具有比石蜡更低的熔融温度和潜热值，造成较低能量储存密度。例如，三酸甘油酯已用短链醇酯交换，以产生用作PCM的脂肪酸烷酯。在这些应用中，据报道改良原料油或氢化双键提供具有不同熔点和110-140J/g之间潜热值的脂肪酸酯混合物。虽然产生的PCM从可再生原料得到，但熔点和潜热值与石蜡相比不利。因此，使用这些脂肪酸烷酯PCM需要显著更大PCM质量才能储存与石蜡一样量的热能，据报道石蜡具有约146-210J/g之间的潜热。

发明概述

本公开提供从脂肪酸或脂肪酸衍生物和二元醇(“二醇”)(例如烷二醇)合成二醇二酯化合物的方法。本申请也提供此类材料作为PCM或潜热能储存材料例如用于热能储存和温度调节应用的用途。

在一个方面，本发明提供一种制备二醇二酯的方法。方法包括使具有6至30个碳原子的脂肪酸烷酯、具有n个碳原子的α,ω-烷二醇(其中n为2至22的整数)和约0.01至1.0%重量(基于混合物重量)碱性酯交换催化剂反应，其中混合物在至少约60℃反应温度反应，以提供包含二醇二酯的第一反应产物。脂肪酸烷酯可包括具有7至23个碳原子的脂肪酸甲酯，α,ω-烷二醇可包括2至22个碳原子，且碱性酯交换催化剂可包括碱金属氢氧化物和/或碱金属碳酸盐。脂肪酸烷酯可包括一种或多种饱和脂肪酸甲酯或一种或多种不饱和脂肪酸甲酯。

在另一个方面，本发明提供一种在单阶段反应中制备二醇酯化合物的方法。方法包括使包含脂族羧酸低级烷酯或烷二羧酸低级烷二酯与α,ω-烷二醇和酯交换催化剂的混合物反应，其中一个或多个亚甲基亚单元可由氧原子取代(例如，聚烷二醇，如聚乙二醇)。混合物一般在比以下温度中的最高温度高至少约20℃的反应温度反应：(1)二醇酯化合物熔点、(2)脂族羧酸低级烷酯(或烷二羧酸低级烷二酯)熔点和(3)对应于酯基低级烷基的低级烷醇的沸点。其中反应剂为脂族羧酸低级烷酯和α,ω-烷二醇(或其含氧类似物)，反应产物为二醇二酯。

在一个方面，本发明提供一种潜热储存制品，该制品包括具有在其中包埋的相变材料(PCM)的基质材料，其中PCM包括具有约30至90℃熔点的二醇二酯，并由下式表示

其中R-C(O)O-和R'-C(O)O-基团为脂肪酸酰基，R-和R'-基团独立具有5至30个碳原子(一般约10至18)，n为2至22(一般约2至15)的整数。二醇二酯可包括脂肪酸酰基，对应于脂肪酸酯物质的脂肪酸组合物，例如天然三酰甘油物质(例如，牛油或植物油)或其馏分。

附图简述

图1显示描绘1(a)偶数碳长饱和脂肪酸二醇二酯系列的峰熔点和1(b)相同二醇二酯系列的潜热值的曲线图。除了对18-n-18系列外，所有值为显示平均值的单一复制，其中误差条表示从二重复制或三重复制的标准偏差。

发明详述

本公开提供制备具有比常规制备PCM更大结晶焓和更高熔融温度的二醇二酯PCM的方法。方法包括使脂肪酸烷酯与烷二醇(一般α,ω-烷二醇)任选在催化剂存在下反应，以提供包含二醇二酯的第一反应产物。