一种复分解反应制备的无机纳米相变储能材料及制备方法

摘要

本发明涉及一种复分解反应制备的无机纳米相变储能材料，属于建筑低碳节能技术领域，是由硫酸铝Al2(SO4)3、磷酸三钠Na3PO4按物质的量比为1.1：2配制加工而成，产品经X衍射分析由纳米级磷酸铝AlPO4、硫酸钠Na2SO4.10H2O和硫酸铝Al2(SO4)3.18H2O组成，各组分摩尔百分数含量为AlPO439.2%、Na2SO4.10H2O58.8%、Al2(SO4)3.18H2O2%；产品尺度为40-60纳米，DSC热分析相变温度26℃，熔化--凝固曲线证明无过冷和相分离问题，储热密度320J/g,密度1.8g/cm3。本发明产品工艺简单，反复使用无相分离，本发明通过快速反应，将无机盐水合物迅速分散成纳米级微粒，并被磷酸铝包裹，无机盐结晶水不易散失，微粒分子运动受到约束，有效控制了过冷和相分离的现象，是一种很好的相变储能材料。

说明书

技术领域

本发明属于建筑低碳节能技术领域,具体地说是一种利用复分解反应制备的无机纳米相变储能材料及其制备方法。

背景技术

自然环境中每天产生大量的热量，如：太阳能、动物体散发热、燃烧热、摩擦热、物体运转热等。相变储能材料是在其本身发生相变的过程中，吸收这些热量的物质，并在需要时向环境释放，而达到控制周围环境温度和节能的目的。按其化学组成可以分为：有机相变储能材料、混合相变储能材料和无机相变储能材料。有机相变储能材料具有化学稳定性好、相变温度适中、无相分离等优点，然而,有机相变储能材料导热系数较低,致使其在储能系统的应用中传热性能差,从而降低了系统的效能；混合相变储能材料具有在一定范围内可调的优点，但容易老化，经过几次循环后就失去储能效果；无机相变储能材料具有使用范围广、导热系数大、融解热较大、贮热密度大、相变体积变化小、毒性小、价格便宜等优点，深得人们青睐，因此这类无机储能材料的制备和应用在专利申请方面越来越多，如：《一种无机盐/陶瓷基高温相变储能材料的制备工艺》，申请号200510120619.7；《一种无机相变储能材料》，申请号201210037753；《一种无机盐/陶瓷基高温相变储能材料的制备工艺》，申请号CN200810065301.7；《一种高性能中温无机相变储能材料及其制备方法》，申请号201210557115等等。无机相变储能材料通常存在过冷、非均匀融解和相分离等现象，致使应该储能时不储能，应该释放能时不释放能，系统中出现明显分层，相变焓大大衰减。为了解决上述问题，各发明人提出各种方案，如《一种储热介质及其用途》，申请号200610104583.8，提出硝酸镁，氯化镁和水组成共晶的盐水化合物；《一种无机相变储能材料》，申请号201210037753.0，采用在无机盐水合物中加入成核剂和分散剂；《一种无机水合盐相变储能材料的制备方法》，申请号200810065301.7，采用在无机盐水合物中加防过冷剂四硼酸钠，这些方法虽然有一些效果，但也只局限于某些体系，在相变储能材料选择和使用存在一定的局限，本发明发明人研究发现，将无机盐水合物相变储能材料分散到纳米级微粒，包裹成纳米微胶囊，能很好地解决相变储能材料的过冷和相分离问题，发明人根据这一发现和构思开发出一系列纳米无机相变储能材料，本发明就是开发的这种无机相变储能材料之一。

发明内容

本发明的目的在于将无机盐水合物相变储能材料分散到纳米级微粒，并包裹在纳米微胶囊中，克服相变储能材料的过冷和相分离问题，开发出一系列与现有技术不同的无机相变储能材料，满足不同保温，隔热，储能，调温对象对不同无机相变材料性能的要求。

本发明一种利用复分解反应制备的无机纳米相变储能材料是由硫酸铝Al₂(SO₄)₃、磷酸三钠Na₃PO₄按物质的量比为1.1：2配制加工而成，产品经X衍射分析由纳米级磷酸铝AlPO4、硫酸钠Na₂SO₄.10H₂O和硫酸铝Al₂(SO₄)₃.18H₂O组成，各组分摩尔百分数含量为AlPO₄ 39.2%、Na₂SO₄.10H₂O 58.8%、Al₂(SO₄)₃.18H₂O 2%；产品尺度为40-60纳米，DSC热分析相变温度26℃，熔化--凝固曲线证明无过冷和相分离问题，储热密度320J/g,密度1.8g/cm³。

 本发明一种利用复分解反应制备的无机纳米相变储能材料的制备方法，是依次按下列步骤加工：

（1）称取工业级硫酸铝，为防止硫酸铝水解，滴加0.1M稀硫酸使Al(OH)₃刚好溶解，过滤除去杂质；

（2）磷酸三钠与硫酸铝按物质的量比为2：1.1，称取磷酸三钠，加入到步骤（1）中，以500r/min的转速搅拌反应1小时，得纳米级磷酸铝AlPO₄沉淀，过滤，滤液浓缩到有晶体析出为止；

（3）将步骤（2）滤液加入二倍体积的乙醇，得到纳米级硫酸钠Na₂SO₄.10H₂O和硫酸铝Al₂(SO₄)₃.18H₂O混合物沉淀，过滤；

（4）将步骤（2）纳米AlPO₄沉淀和步骤（3）纳米级硫酸铝Al₂(SO₄)₃.18H₂O、硫酸钠Na₂SO₄.10H₂O沉淀混合，加入等重量的水搅拌，40℃加热60分钟，得糊涂状混合物，在不断搅拌下升温至60℃，保温12分钟，糊涂状混合物猛烈膨胀并变成海绵状混合物；

（5）海绵状混合物通过超声分散，得纳米级颗粒；

（6）步骤（3）滤液蒸馏回收乙醇。

本发明原理是硫酸钠与磷酸三钠产生复分解反应产生硫酸钠和纳米级磷酸铝沉淀：Al₂(SO₄)₃+2Na₃PO₄  → 3Na₂SO₄+AlPO₄↓

由于过量的Al₂(SO₄)₃，存在于浓缩硫酸钠溶液中，Na₂SO₄和Al₂(SO₄)₃不溶液乙醇，当溶液中加入二倍体积的乙醇时，便析出纳米级Na₂SO₄.10H₂O和Al₂(SO₄)₃.18H₂O。

将纳米级Na₂SO₄.10H₂O和Al₂(SO₄)₃.18H₂O与AlPO₄混合加水搅拌均匀，40℃加热60分钟，即得AlPO₃包裹的纳米级相变物质Na₂SO₄.10H₂O和Al₂(SO₄)₃.18H₂O。

发明效果：

1.本发明产品相变温度26℃，储热密度320J/g，无毒，无腐蚀，特别适合于住房保温，隔热，储能，调温。

2.本发明产品工艺简单，成本低质量易控，稳定。

3.反复使用无相分离。

4.本发明通过快速反应，将无机盐水合物迅速分散成纳米级微粒，并被磷酸铝包裹，无机盐结晶水不易散失，微粒分子运动受到约束，有效控制了过冷和相分离的现象，是一种很好的相变储能材料。

附图说明

图1，本发明产品的熔化--凝固曲线说明产品相变温度26℃。

图2，本发明产品加热到50℃，移到10℃恒温箱器中冷却，反复60次的熔化--凝固曲线图和反复365次的熔化凝固曲线图，说明产品性质稳定，无分层和相分离现象。

具体实施方式

实施例1

（1）称取工业级硫酸铝Al₂(SO₄)₃ 376.2g，加水1000g溶解，滴0.1M稀释硫酸，使Al(OH)3絮状刚好溶解，过滤除去杂质；

（2）称取磷酸三钠328g,加入到步骤（1）水溶液中，磷酸三钠与硫酸铝按物质的量比为2：1.1，边加边搅拌，得纳米级磷酸铝AlPO₄沉淀244g，过滤，滤液浓缩至硫酸钠饱和；

（3）将步骤（2）滤液加入二倍体积的乙醇，得到纳米级硫酸钠Na₂SO₄.10H₂O 966g和纳米级硫酸铝Al₂(SO₄)₃.18H₂O 66.6g，过滤；

（4）将步骤（2）纳米AlPO₄ 244g和步骤（3）纳米级硫酸钠Na₂SO₄.10H₂O 966g和纳米级硫酸铝Al₂(SO₄)₃.18H₂O 66.6g混合，加入1.3公斤水搅拌，40℃加热60分钟，得糊涂状混合物，在不断搅拌下升温至60℃，保温12分钟，糊涂状混合物猛烈膨胀并变成海绵状混合物；

（5）海绵状混合物通过超声分散，得纳米级颗粒，密度1.8g/cm3。

本发明产品熔化--凝固曲线，如图1，相变温度26℃，取本发明产品加热到50℃，移到10℃恒温器中冷却，反复60次的熔化--凝固曲线和反复365次的熔化凝固曲线曲线图如图2。

 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式的限制，任何脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。