一种含气凝胶的相变储能保温板材、其制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种含气凝胶的相变储能保温板材、其制备方法及应用 (Aerogel-containing phase change energy storage heat preservation plate and preparation method and application thereof ) 是由 李太岭 王永疆 李清文 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含气凝胶的相变储能保温板材、其制备方法及应用。所述相变储能保温板材包括芯板结构及皮层结构,所述芯板结构包括作为增强相的均匀多孔材料,以及填充分布于所述均匀多孔材料内部的填充层,所述填充层包括相变气凝胶填料和隔热材料,所述相变气凝胶填料包括具有均匀多孔结构的气凝胶材料以及填充分布于其孔道内的相变材料。本发明将相变材料与气凝胶材料结合,利用纳米级孔道极强的毛细作用力,可通将相变材料“限域”,避免在发生相变行为时相变材料的泄露以及相变材料分布不均导致的不良影响。另外气凝胶极低的密度可大大降低相变储能保温板材的密度,在工业及建筑绝热、军事及航天、复合材料等领域具有很大的应用前景。(The invention discloses a phase change energy storage heat preservation plate containing aerogel, and a preparation method and application thereof. Phase change energy storage insulation board includes core structure and cortex structure, the core structure including as the even porous material of reinforcing phase, and pack distribute in even inside filling layer of porous material, the filling layer includes phase change aerogel filler and thermal insulation material, phase change aerogel filler is including the aerogel material that has even porous structure and the phase change material of packing distribution in its pore. The phase change material is combined with the aerogel material, and the phase change material is limited by the extremely strong capillary force of the nanometer pore passage, so that the adverse effects caused by leakage of the phase change material and uneven distribution of the phase change material in the phase change behavior are avoided. In addition, the extremely low density of the aerogel can greatly reduce the density of the phase-change energy-storage heat-insulation board, and has great application prospect in the fields of industry, building heat insulation, military, aerospace, composite materials and the like.)
技术领域
本发明涉及一种保温板材，具体涉及一种含气凝胶的相变储能保温板材及其制备方法与应用，属于建筑材料
技术领域
。背景技术
随着被动式节能屋(Passive house)、零排放建筑(zero emission buildings)等建筑节能系统概念的提出，表明了国内外都在对较高的建筑能耗积极做出应对，其中建筑的隔热保温起到了十分重要的作用。作为建筑材料的一部分，隔热保温材料的重要性正在稳步提升。轻质保温材料的热容量有限，蓄热能力低，不能达到高效蓄热保温的目的，因此传统低导热系数的保温材料并不能满足实际使用需求。
目前业界有一种以蜂窝材料为主的相变储能蜂窝复合板，是通过向传统建筑蜂窝材料中加入相变材料制成的，具有较高热容的轻质建筑材料，具有较大的潜热储热能力。这种材料可以提高建筑的节能保温能力，自动调节室内温度，降低室内温度波动，提高舒适度。
但是相变材料自身热导率较高，添加到蜂窝板内时会导致蜂窝板整体热导率上升，即使通过配合传统泡沫材料作为相变材料载体，高导热的相变材料会形成导热网络，降低蜂窝板材的隔热性能。另外在相变过程中，相变材料的物态变化会导致其从蜂窝板材或多孔介质中流出，导致相变材料分布不均匀，对相变储能蜂窝复合板性能产生不利影响。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种含气凝胶的相变储能保温板材及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种含气凝胶的相变储能保温板材，其包括芯板结构，以及覆设于所述芯板结构表面的皮层结构，所述芯板结构包括作为增强相的均匀多孔材料，以及填充分布于所述均匀多孔材料内部的填充层，所述填充层具有包括相变气凝胶填料和隔热材料的多层复合结构，所述相变气凝胶填料包括具有均匀多孔结构的气凝胶材料以及填充分布于所述气凝胶材料的孔道内的相变材料。
在一些实施例中，所述含气凝胶的相变储能保温板材的密度为70-150kg/m3，热导率为0.02-0.06(W/(m·K)，抗压强度为1.5-2.6MPa，剪切强度为1-1.5MPa。
在一些实施例中，所述相变材料包括石蜡、十六烷、十七烷、二十烷、季戊四醇、丁二胺中的任意一种或两种以上的组合。
进一步地，所述相变气凝胶填料中相变材料的含量为10-50wt％
在一些实施例中，所述气凝胶材料包括氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化钛气凝胶、石墨烯气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、聚酰胺气凝胶中的任意一种或两种以上的组合，所述气凝胶材料的形态包括气凝胶粉体、气凝胶颗粒、气凝胶纤维、气凝胶块体中的任意一种或两种以上的组合。
进一步地，所述气凝胶材料为具有纳米级孔道结构的气凝胶粉体。
本发明实施例还提供了所述含气凝胶的相变储能保温板材的制备方法，其包括：
将相变材料填充到具有均匀多孔结构的气凝胶材料中，形成相变气凝胶填料；
将所述相变气凝胶填料与隔热材料复合，组成多层复合结构，并作为填充层填充在作为增强相的均匀多孔材料形成的孔道内，制得芯板结构；
将皮层结构覆设于所述芯板结构表面，制得所述含气凝胶的相变储能保温板材。
本发明实施例还提供了所述含气凝胶的相变储能保温板材于工业及建筑绝热、军事、航天或复合材料等领域中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)本发明采用的气凝胶材料具有极低的密度，可大大降低相变储能保温板材的密度，在工业及建筑绝热、军事及航天、复合材料等领域具有很大的应用前景；
2)本发明将相变材料填充到具有均匀多孔结构的气凝胶材料中，形成相变气凝胶填料，这种特殊的相变气凝胶填料不存在相变材料泄漏问题，利用纳米级孔道极强的毛细作用力，可通将相变材料“限域”，避免在发生相变行为时相变材料的泄露以及相变材料分布不均导致的不良影响；
3)本发明提供的含气凝胶的相变储能保温板材具有较低的导热系数，气凝胶冗长的骨架结构可以弥补相变材料引入后对材料整体结构热传导的影响，较长传热路径的气凝胶材料配合隔热材料组成多层结构，可保证相变储能保温板材具有较低的密度以及较低的导热系数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施例中一种含气凝胶的相变储能保温板材的结构示意图；
图2是图1中蜂窝孔内填充层的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
对本发明涉及的术语进行解释如下：
1.气凝胶：气凝胶是一种纳米多孔非晶固体材料，具有低密度、大比表面积、高孔隙率的特点，密度变化范围为0.03～0.15g/cm3，比表面积可高达1500m2/g，孔隙率可高达99.8％，是目前已知热导率最低的固体材料之一。
2.相变材料：是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。相变材料发生相变行为时会发生固体-液体行为变化。
本发明的主要发明构思原理在于：利用均匀多孔材料气凝胶，将相变材料填充在气凝胶内得到气凝胶填料，配合低热导率的泡沫材料，以均匀多孔材料作为增强相，解决传统相变储能蜂窝板中相变材料在相变过程中的泄露问题，并且提升相变储能保温板的隔热保温性能。
本发明实施例的一个方面提供的一种含气凝胶的相变储能保温板材包括芯板结构，以及覆设于所述芯板结构表面的皮层结构，所述芯板结构包括作为增强相的均匀多孔材料，以及填充分布于所述均匀多孔材料内部的填充层，所述填充层具有包括相变气凝胶填料和隔热材料的多层复合结构，所述相变气凝胶填料包括具有均匀多孔结构的气凝胶材料以及填充分布于所述气凝胶材料的孔道内的相变材料。
在一些实施例中，所述含气凝胶的相变储能保温板材的密度为70-150kg/m3，热导率为0.02-0.06(W/(m·K)，抗压强度为1.5-2.6MPa，剪切强度为1-1.5MPa。
在一些实施例中，所述相变材料包括石蜡、十六烷、十七烷、二十烷、季戊四醇、丁二胺等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些实施例中，所述相变气凝胶填料中相变材料的含量为10-50wt％。气凝胶孔道内的相变材料在升温过程中吸收了大量热量并储存，在放热过程中缓慢释放出来，通过配合低热导率的泡沫材料，可大大提升相变储能保温板材的隔热保温性能。
在本发明中，采用相变气凝胶填料不存在相变材料泄漏问题，利用纳米级孔道极强的毛细作用力，可通将相变材料“限域”，避免在发生相变行为时相变材料的泄露以及相变材料分布不均导致的不良影响。
在一些实施例中，所述含气凝胶的相变储能保温板材中相变气凝胶填料的体积含量为10-99％。
在一些实施例中，所述气凝胶材料包括氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化钛气凝胶、石墨烯气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、聚酰胺气凝胶等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。本发明采用的气凝胶材料具有极低的密度(气凝胶密度低至30kg/m3)，可大大降低相变储能保温板材的密度。
进一步地，所述气凝胶材料的形态包括气凝胶粉体、气凝胶颗粒、气凝胶纤维、气凝胶块体等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述气凝胶材料具有纳米级孔道结构。该些纳米级孔道结构可将相变材料束缚在孔道内，解决了相变材料在发生相变行为时，从多孔介质中泄漏问题，避免相变材料分布不均导致的不良影响。
在一些实施例中，所述隔热材料包括隔热泡沫材料，优选包括聚氨酯泡沫材料、聚苯乙烯泡沫材料、三聚氰胺泡沫等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些实施例中，所述均匀多孔材料具有蜂窝状结构，优选包括铝蜂窝、芳纶纸蜂窝、树脂浸渍玻纤织物蜂窝等中的任意一种，但不限于此。
在一些实施例中，所述皮层结构的材质包括玻纤增强环氧树脂蒙皮、玻纤增强不饱和树脂蒙皮、热塑性树脂蒙皮、铝合金蒙皮等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述皮层结构的厚度为4-10mm。
在一些实施例中，所述填充层包括至少一个填充单元，每个所述填充单元由相变气凝胶填料和隔热材料相互叠层设置形成，且隔热材料分别设置于所述相变气凝胶填料的顶端面和底端面。
进一步地，所述均匀多孔材料孔道内的相变气凝胶填料和隔热泡沫材料的组合方式可为双层或者多层结构。
综上所述，本发明的相变储能保温板材具有较低的导热系数，气凝胶冗长的骨架结构可以弥补相变材料引入后对材料整体结构热传导的影响，较长传热路径的气凝胶材料配合隔热泡沫组成多层结构，可保证相变储能保温板材具有较低的的密度以及较低的导热系数。
本发明实施例的另一个方面提供的前述含气凝胶的相变储能保温板材的制备方法包括：
将相变材料填充到具有均匀多孔结构的气凝胶材料中，形成相变气凝胶填料；
将所述相变气凝胶填料与隔热材料复合，组成多层复合结构，并作为填充层填充在作为增强相的均匀多孔材料所含的孔道内，制得芯板结构；
将皮层结构覆设于所述芯板结构表面，制得所述含气凝胶的相变储能保温板材。
进一步地，所述制备方法包括：采用树脂粘结剂将所述芯板结构与皮层结构进行粘结，制得所述含气凝胶的相变储能保温板材。
本发明实施例的另一个方面还提供了所述含气凝胶的相变储能保温板材于工业及建筑绝热、军事、航天或复合材料等领域中的应用。
作为本发明的一具体实施方案之中，请参阅图1所示，一种含气凝胶的相变储能保温板材包括相变气凝胶填料、隔热泡沫材料、蜂窝材料(亦即前文所述的“均匀多孔材料”)()及蒙皮结构(亦即前文所述的“皮层结构”)。将相变材料填充到具有均匀多孔结构的气凝胶材料中制备相变气凝胶填料；相变气凝胶填料与隔热泡沫材料组成多层结构，填充在增强相均匀多孔材料所含的孔道内；通过树脂粘结剂将封装有相变气凝胶填料的芯板结构与蒙皮结构进行粘结，组装得到含气凝胶的相变储能保温板材。
进一步地，蜂窝孔内填充层的结构示意图如图2所示。另外，所述均匀多孔材料孔道内的相变气凝胶填料和隔热泡沫材料的组合方式不限于图2所示的一种，还可为双层或者多层结构。
综上所述，藉由上述技术方案，本发明将相变材料与气凝胶材料结合，利用纳米级孔道极强的毛细作用力，可通将相变材料“限域”，避免在发生相变行为时相变材料的泄露以及相变材料分布不均导致的不良影响。另外气凝胶极低的密度可大大降低相变储能保温板材的密度，在工业及建筑绝热、军事及航天、复合材料等领域具有很大的应用前景。
以下结合若干实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明，但本发明并不局限于此。但是，应当理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
下面实施例中所述的试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材包括：芯板结构和玻纤增强环氧树脂蒙皮结构，所述芯板结构包括作为增强相的均匀树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料，以及填充分布于所述树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料内部的相变气凝胶填料和聚氨酯泡沫材料，相变气凝胶填料和聚氨酯泡沫材料的复合方式可参考图2，所述相变气凝胶填料包括氧化硅气凝胶粉体以及填充分布于所述氧化硅气凝胶粉体的孔道内的石蜡，且石蜡的含量为15wt％。其中，玻纤增强环氧树脂蒙皮结构的厚度为4mm。
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材的制作方法包括：将石蜡填充到氧化硅气凝胶粉体中制备相变气凝胶填料；相变气凝胶填料与聚氨酯泡沫材料组成多层结构，填充在增强相均匀树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料所含的孔道内；通过树脂粘结剂将封装有相变气凝胶填料的芯板结构与玻纤增强环氧树脂蒙皮结构进行粘结，组装得到含气凝胶的相变储能保温板材。
本案发明人还对所获相变储能保温板材进行了测试，结果显示，其密度为70kg/m3，热导率为0.035W/(m·K)，抗压强度为2.5MPa，抗弯强度为1.0MPa。
实施例2
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材包括：芯板结构和玻纤增强不饱和树脂蒙皮结构，所述芯板结构包括作为增强相的铝蜂窝材料，以及填充分布于所述铝蜂窝材料内部的相变气凝胶填料和聚苯乙烯泡沫材料，相变气凝胶填料和聚苯乙烯泡沫材料的复合方式可参考图2，所述相变气凝胶填料包括氧化铝气凝胶颗粒以及填充分布于所述氧化铝气凝胶颗粒的孔道内的十六烷，且十六烷的含量为10wt％。其中，玻纤增强不饱和树脂蒙皮结构的厚度为5mm。
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材的制作方法包括：将十六烷填充到氧化铝气凝胶颗粒中制备相变气凝胶填料；相变气凝胶填料与聚苯乙烯泡沫材料组成多层结构，填充在增强相铝蜂窝材料所含的孔道内；通过树脂粘结剂将封装有相变气凝胶填料的芯板结构与玻纤增强不饱和树脂蒙皮结构进行粘结，组装得到含气凝胶的相变储能保温板材。
本案发明人还对所获相变储能保温板材进行了测试，结果显示，其密度为80kg/m3，热导率为0.045W/(m·K)，抗压强度为2.6MPa，抗弯强度为1.2MPa。
实施例3
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材包括：芯板结构和热塑性树脂蒙皮结构，所述芯板结构包括作为增强相的芳纶纸蜂窝材料，以及填充分布于所述芳纶纸蜂窝材料内部的相变气凝胶填料和三聚氰胺泡沫材料，相变气凝胶填料和三聚氰胺泡沫材料的复合方式可参考图2，所述相变气凝胶填料包括聚酰胺气凝胶粉体以及填充分布于所述聚酰胺气凝胶粉体的孔道内的季戊四醇，且季戊四醇的含量为25wt％。其中，热塑性树脂蒙皮结构的厚度为8mm。
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材的制作方法包括：将季戊四醇填充到聚酰胺气凝胶粉体中制备相变气凝胶填料；相变气凝胶填料与三聚氰胺泡沫材料组成多层结构，填充在增强相芳纶纸蜂窝材料所含的孔道内；通过树脂粘结剂将封装有相变气凝胶填料的芯板结构与热塑性树脂蒙皮结构进行粘结，组装得到含气凝胶的相变储能保温板材。
本案发明人还对所获相变储能保温板材进行了测试，结果显示，其密度为82kg/m3，热导率为0.048W/(m·K)，抗压强度为2.3MPa，抗弯强度为1.2MPa。
实施例4
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材包括：芯板结构和铝合金蒙皮结构，所述芯板结构包括作为增强相的树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料，以及填充分布于所述树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料内部的相变气凝胶填料和三聚氰胺泡沫材料，相变气凝胶填料和三聚氰胺泡沫材料的复合方式可参考图2，所述相变气凝胶填料包括石墨烯气凝胶纤维以及填充分布于所述石墨烯气凝胶纤维的孔道内的丁二胺，且丁二胺的含量为40wt％。其中，铝合金蒙皮结构的厚度为5mm。
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材的制作方法包括：将丁二胺填充到石墨烯气凝胶纤维中制备相变气凝胶填料；相变气凝胶填料与三聚氰胺泡沫材料组成多层结构，填充在增强相树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料所含的孔道内；通过树脂粘结剂将封装有相变气凝胶填料的芯板结构与铝合金蒙皮结构进行粘结，组装得到含气凝胶的相变储能保温板材。
本案发明人还对所获相变储能保温板材进行了测试，结果显示，其密度为110kg/m3，热导率为0.058W/(m·K)，抗压强度为2.3MPa，抗弯强度为1.3MPa。
实施例5
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材包括：芯板结构和玻纤增强环氧树脂蒙皮结构，所述芯板结构包括作为增强相的树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料，以及填充分布于所述树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料内部的相变气凝胶填料和聚氨酯泡沫材料，相变气凝胶填料和聚氨酯泡沫材料的复合方式可参考图2，所述相变气凝胶填料包括氧化钛气凝胶粉体以及填充分布于所述氧化钛气凝胶粉体的孔道内的二十烷，且二十烷的含量为40wt％。其中，玻纤增强环氧树脂蒙皮结构的厚度为5mm。
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材的制作方法包括：将二十烷填充到氧化钛气凝胶粉体中制备相变气凝胶填料；相变气凝胶填料与聚氨酯泡沫材料组成多层结构，填充在增强相树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料所含的孔道内；通过树脂粘结剂将封装有相变气凝胶填料的芯板结构与玻纤增强环氧树脂蒙皮结构进行粘结，组装得到含气凝胶的相变储能保温板材。
本案发明人还对所获相变储能保温板材进行了测试，结果显示，其密度为150kg/m3，热导率为0.060W/(m·K)，抗压强度为2.0MPa，抗弯强度为1.5MPa。
实施例6
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材包括：芯板结构和玻纤增强环氧树脂蒙皮结构，所述芯板结构包括作为增强相的树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料，以及填充分布于所述树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料内部的相变气凝胶填料和聚氨酯泡沫材料，相变气凝胶填料和聚氨酯泡沫材料的复合方式可参考图2，所述相变气凝胶填料包括聚酰亚胺气凝胶粉体以及填充分布于所述聚酰亚胺气凝胶粉体的孔道内的十七烷，且十七烷的含量为20wt％。其中，玻纤增强环氧树脂蒙皮结构的厚度为5mm。
本实施例中含气凝胶的相变储能保温板材的制作方法包括：将十七烷烷填充到聚酰亚胺气凝胶粉体中制备相变气凝胶填料；相变气凝胶填料与聚氨酯泡沫材料组成多层结构，填充在增强相树脂浸渍玻纤织物蜂窝材料所含的孔道内；通过树脂粘结剂将封装有相变气凝胶填料的芯板结构与玻纤增强环氧树脂蒙皮结构进行粘结，组装得到含气凝胶的相变储能保温板材。
本案发明人还对所获相变储能保温板材进行了测试，结果显示，其密度为100kg/m3，热导率为0.050W/(m·K)，抗压强度为2.1MPa，抗弯强度为1.4MPa。
对照例1
本对照例与实施例1相比，不同之处在于：未采用气凝胶材料，直接将传统相变材料与隔热泡沫材料复合，并填充进入蜂窝孔内。
经测试，最终所获相变储能保温板材的热导率为0.08W/(m·K)。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。
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