[发明专利]用于存储热能的、形状稳定的热塑性聚合物的组合物

说明书

本发明提供了用于存储和释放热能的形状稳定的产品，该产品基于热塑性聚合物的组合物，包含掺入到聚合物基质中的有机相变材料(PCM)；所述产品可承受PCM的多个熔融‑结晶循环，同时保持稳定的形状、尺寸及储热性能。

技术领域

本发明涉及热能存储材料。具体地说，本发明涉及能以潜热形式存储热能的材料。更具体地说，本发明涉及包括有机成分的形状稳定的聚合物组合物，该有机成分能够通过相变以潜热的形式存储和释放热能。

背景技术

对能源的可持续性来说，热能存储(TES)被认为是必不可少的技术，其可实现高效的节能、管理、回收、供需匹配、温度控制等。相变材料(PCM)通过相变潜热的存储及释放，提供便捷的TES方法。PCM的性质可以是有机，也可以是无机的。

使用PCM进行能量存储的好处在本领域已经广为人知(例如使用冰进行食品保鲜等)。最近由于诸多法规要求在各个领域和应用中大幅度提高能效，PCM的使用得到强劲增长。

由于具有非腐蚀性、高潜热、以及具有各种相变温度、低密度、剧烈和适当的相变、物质较容易获取等原因，石蜡、脂肪酸、脂肪酸酯等有机PCM成为TES应用的常用选择。但是，有一个问题限制了有机PCM在包括设备和装置在内的各种应用中的广泛使用，这就是：这些有机PCM在形状稳定性和尺寸稳定性方面比较欠缺，因为在固-液相转变后，处于液态时，熔融的PCM无法保持其原来的形状和尺寸。

为了确保有机PCM及其制品使用起来比较方便(扩大其应用范围)，应采取措施以防止固-液相转变过程中，失去初始的几何形状，发生泄漏及较大的体积变化。此类措施可包括：例如，将PCM封装在一个外壳内，或将其浸渍在多孔基板内，或者运用其填充设备和装置中的空腔。封装的有机PCM可从Rubitherm、Devan Chemicals、BASF、Outlast、Croda及其他公司通过商务途径购得。有机PCM封装技术的详细描述可从Boh和Knez等人的文献披露中找到(Boh B.and Knez E.，Indian J.Fibre Text.Res.，V31，2006，72-82)。封装过程通常很昂贵，并且其解决方案也无法时时令人满意，因为封装的产品对加工条件较为敏感，因此封装的外壳在聚合物加工时使用的剪切应力下很容易破裂。对于注入于空腔或孔中的PCM，相变期间的体积变化可能导致热接触较差。

将PCM掺入聚合物基质中，这种做法可能比较有优势，当基质中的PCM含量足够高时，热量的储存和释放效果就更为理想。但是，即使将其掺入聚合物基质中，PCM也会变成液体，并可能泄漏、迁移和聚结，从而导致形状和尺寸不稳定，尤其是在PCM高负荷的情况下。在多个相变过程中能保持其几何形状的PCM被称为形状稳定的PCM(简称SS PCM)。可通过大幅度增加粘稠度来阻碍其流动性，从而实现降低PCM泄漏倾向。美国专利5,565,132公开了一种聚合物-PCM组合物，其通过添加大小主要为0.005-0.025微米、表面积为每克50-500平方米的硅细粉来使PCM增加粘稠度。据报告，以推荐的负载量(占组合物重量的7-16％)掺入纳米大小的硅，会束缚低熔点PCM，使其变成稳定的“硬”凝胶，从而防止渗出。然而，使用如此高浓度的高度分散的无机纳米填料，增加了整个组合物的密度，并大幅度提高了其在熔融状态下的粘度，给制备过程、熔融加工性和可模塑性带来不利影响。此外，由于细粉的低堆积密度并出于健康考虑，要在组合物制备过程中将硅细粉装进到混合装置中，可能在技术上具有挑战性。因此，人们需要热塑性的形状稳定的热能存储材料，即将PCM掺入聚合物基质而得到的SS PCM，其较易通过常规技术制备和成形，并且能承受多个PCM熔融-结晶循环，同时其TES性能、形状和尺寸保持不变。

因此，本发明的目的是提供一种能够储存和释放热能的形状稳定的热塑性聚合物组合物，该组合物包含至少一种有机相变材料(PCM)，其掺入到聚合物基质中，并通过使用有机凝胶剂，经过温度可逆凝胶化，将其固定于其中。

本发明旨在提供一种包含10-80 wt％的有机PCM的形状稳定的(SS)热塑性聚合物组合物。