一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料及其化学制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料的催化合成方法，属相变蓄热固固相变材料技术领域。采用硬脂酸、白炭黑、甲苯-2,4-二异氰酸酯为原料，以顺丁烯二酸二丁基锡为催化剂，丙酮为溶剂，整个合成工艺及反应速度易于控制，而溶剂丙酮沸点低，易于封闭循环使用，同等材料配比条件下硬脂酸/白碳黑固固相变材料的相变焓有明显提高，相变材料的收率高和质量更加稳定可靠，产品综合成本明显降低，另外本发明专利技术工艺步骤和仪器设备简单，实施生产投资少，易于工业化规模生产，具有良好的经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料及其化学制备方法
本专利技术涉及一种新型相变蓄热固固相变材料，具体涉及一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料及其化学制备方法，属于材料催化合成的

技术介绍
固固相变材料的主要优点是相变前后不出现液态；材料相转变时，热容比水的热容高数十倍；同时利用相变材料在相变温度近似恒定的特性，可用于温度的调控。由于在相变过程不出现液态，不需要容器，比起像水这样有相态变化的物质，使用方便，体积变化小，容易与其它材料结合，可以用作系统的基体材料，特别用在保温、防水建筑材料的使用中。在国外目前这类材料在智能化自动空调建筑物、玻璃暖房、相变储能型空调、太阳能利用、余热废热回收、电器恒温、保温服装、储能炊具等民用和军事领域已有应用，并且应用范围正在不断扩大。目前已合成的固固相变材料有聚乙二醇/醋酸纤维素、聚乙二醇/壳聚糖等。但聚乙二醇/壳聚糖固固相变材料不适宜作为电池吸热池；聚乙二醇/醋酸纤维素固固相变材料采用的原材料价格昂贵，反应速度过快不易控制，交联密度过大易形成体型分子，蓄热性能大幅度降低，对环境污染大，交联体系配合剂在市场上很难购买和保存。王艳秋等人(《精细石油化工进展》，2004年第11期)用物理共混法制备了硬脂酸/白炭黑固固相变材料，相变焓和相变温度都取得了较好的效果，但其工艺是将硬脂酸直接熔化后与白炭黑合成；陈立贵(《广州化工》2011年第23期)将石蜡和活性炭配合，通过熔融挤出工艺制得石蜡/活性炭相变材料，取得较好的相变焓和相变温度。上述物理混合方法工艺简单便捷，但产品分散难度大、固固相变材料的质量不易控制和稳定，制备工艺也不利于规模化应用推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料及其化学制备方法，选择更利于原料分散、产品稳定的催化合成化学方法，制备出性能稳定可靠、相变温度及相变焓良好的硬脂酸/白碳黑固固相变材料。在主材料配比类似的条件下，本工艺制得的硬脂酸/白碳黑固固相变材料其相变焓值明显提高。整个制备工艺平稳，易于操控，工艺也易于实现工业化。本专利技术的技术方案如下：一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料，采用硬脂酸、白炭黑、甲苯-2,4-二异氰酸酯为原料，以顺丁烯二酸二丁基锡为催化剂，丙酮为溶剂制备，其各成分的具体用量为：硬脂酸与白碳黑的重量比为3:2～19:1，甲苯-2,4二异氰酸酯的用量为保证整个制备过程中异氰酸根的物质量为硬脂酸和白碳黑所含羧基和羟基的物质量的1.1倍，顺丁烯二酸二丁基锡用量为甲苯-2,4二异氰酸酯重量份的0.1％，丙酮用量为硬脂酸重量份的1.5～2.5倍。优选的，所述硬脂酸与白炭黑的重量份配比为60:40、或70:30、或80:20、或90:10、或95:5。所述的硬脂酸、白碳黑、丙酮均为工业级产品，甲苯-2,4-二异氰酸酯、顺丁烯二酸二丁基锡为分析纯产品。上述硬脂酸/白碳黑固固相变材料的化学制备方法，采用硬脂酸、白炭黑、甲苯-2,4-二异氰酸酯为原料，以顺丁烯二酸二丁基锡为催化剂，丙酮为溶剂，具体步骤如下：步骤一：先将硬脂酸和白炭黑在真空干燥箱中，100℃下干燥1h；步骤二：将硬脂酸加入到丙酮中，采用磁力搅拌，混合均匀后加入甲苯-2,4-二异氰酸酯和顺丁烯二酸二丁基锡；步骤三：将步骤二得到的混合液在搅拌下，回流预反应，预回流时间优选10～30min，预反应温度范围优选90～120℃；随后加入白炭黑，混合均匀后进行合成反应，合成反应的时间优选10～60min，合成反应温度优选170～190℃；步骤四：合成反应完成后，将反应物洗涤抽滤3～4次后，再将其置于水中，浸泡24h以上，可除去游离的硬脂酸及残余丙酮、TDI、催化剂锡盐离子等，然后将其置于烘箱中干燥，即得到固-固相转变材料。干燥温度优选100℃，干燥时间为24h。干燥可优选在真空条件下进行。上述步骤四中，还可以将洗涤后反应物置于室温去离子水中，急冷浸泡清洗2-3h，然后再置于水中，浸泡24h以上。急冷浸泡清洗有利于进一步提高目标产品收率。上述反应过程中，磁力搅拌搅拌子的转速设定为30转/min。本专利技术通过上述化学催化合成反应，通过化学键把硬脂酸和白炭黑连接起来，合成一种新型的硬脂酸/白碳黑固固相变材料。在这种新型的硬脂酸/白碳黑固固相变材料中，白炭黑的颗粒形态复杂，以纤维形为主，颗粒内部有较多的枝叉、凹弯和空隙，对硬脂酸有较强的物理吸附作用。白炭黑粒径仅为20～40nm，比表面积达到了155m2/g，白炭黑结构中存在较多的二维结构，其表面含有大量的羟基，白炭黑分子中的羟基和硬脂酸分子端部的羧基在交联剂甲苯-2,4二异氰酸酯的作用下通过化学键连接起来，硬脂酸分子的一端被化学键和分子间作用力牢牢吸附于无机的白炭黑分子上，硬脂酸相变温度为69～72℃，在此温度下分子热振动的能量不足以破坏该化学键，因此硬脂酸不能变为液态。而硬脂酸分子被束缚的另一端仍可转动和振动，可随温度的升降而形成无定形态和晶态，故出现固-固相转变。由于合成过程中硬脂酸和白碳黑上的化学反应基团被大量消耗，分子间作用力降低，化学合成比物理共混的硬脂酸/白碳黑固固相变材料更易于分散。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用化学分散法及催化合成工艺制备了硬脂酸/白碳黑固固相变材料，硬脂酸和白碳黑分散均匀并通过化学键连接在一起，合成速度易于控制；溶解体系采用溶剂丙酮沸点低，易于封闭循环使用，也简化了合成工艺、降低了合成成本；本技术方案通过工艺创新，在同等材料配比条件下，硬脂酸/白碳黑固固相变材料相变焓得到提高的同时相变温度能适度下降，产品应用效能更优，而目标产品收率高和质量更加稳定可靠；另外本专利技术工艺步骤和仪器设备简单，实施生产投资少，易于工业化规模生产，整体上具有良好的经济效益。具体实施方式下面结合实施例进一步阐明本专利技术的方案及效果。首先将硬脂酸、白碳黑在100℃真空条件下干燥1h，然后将干燥后的硬脂酸9.5Kg与19.0Kg丙酮搅拌配成溶液，然后在硬脂酸溶液中加入11.12g的甲苯-2,4二异氰酸酯和1.11g顺丁烯二酸二丁基锡混合液，在搅拌回流条件120℃下预反应10min。整个回流过程和化学合成过程采用磁力搅拌，磁力搅拌子的转速为30转/min。然后加入0.5Kg的白炭黑，混合均匀后在190℃下反应60min。反应完全后混合物成凝胶状，洗涤抽滤2～3次后，将淡黄色凝胶置于水中，急冷浸泡清洗2～3h，再将淡黄色凝胶置于水中浸泡24h，抽滤后将反应产物置于烘箱中100℃下真空干燥24h，得到乳白色的固-固相转变材料，收率97％。对所得硬脂酸/白碳黑固固相变材料进行红外和DSC性能检测，硬脂酸/白碳黑固固相变材料相变焓154.68J/g，相变温度为63.7℃。实施例一：要求相变性能足够大且性能稳定、寿命较长的制品，则可选用化学合成、PEG分子量在10000左右、产生共晶的PEG、PEG/PET的配比在95:5左右的PEG/PETPCM。其相变温度在50～70℃。适用于空调系统的中间热介质、大功率电子元件的吸热池、电器恒温设施等。首先将硬脂酸、白碳黑在100℃真空条件下干燥1h，然后将干燥后的硬脂酸9.5Kg与19.0Kg丙酮搅拌配成溶液，然后在硬脂酸溶液中加入11.12g的甲苯-2,4二异氰酸酯和1.11g顺丁烯二酸二丁基锡混本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料，其特征在于采用硬脂酸、白炭黑、甲苯‑2,4‑二异氰酸酯为原料，以顺丁烯二酸二丁基锡为催化剂，丙酮为溶剂制备，其各成分的具体用量为： 硬脂酸与白碳黑的重量比为3:2～19:1，甲苯‑2,4二异氰酸酯的用量为保证整个制备过程中异氰酸根的物质量为硬脂酸和白碳黑所含羧基和羟基的物质量的1.1倍，顺丁烯二酸二丁基锡用量为甲苯‑2,4二异氰酸酯重量份的0.1％，丙酮用量为硬脂酸重量份的1.5～2.5倍。

【技术特征摘要】
1.一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料，其特征在于采用硬脂酸、白炭黑、甲苯-2,4-二异氰酸酯为原料，以顺丁烯二酸二丁基锡为催化剂，丙酮为溶剂制备，其各成分的具体用量为：硬脂酸与白碳黑的重量比为3:2～19:1，甲苯-2,4二异氰酸酯的用量为保证整个制备过程中异氰酸根的物质量为硬脂酸和白碳黑所含羧基和羟基的物质量的1.1倍，顺丁烯二酸二丁基锡用量为甲苯-2,4二异氰酸酯重量份的0.1％，丙酮用量为硬脂酸重量份的1.5～2.5倍。2.根据权利要求1所述的一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料，其特征在于所述硬脂酸与白炭黑的重量份配比为60:40、或70:30、或80:20、或90:10、或95:5。3.根据权利要求1所述的一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料，其特征在于所述的硬脂酸、白碳黑、丙酮均为工业级产品，甲苯-2,4-二异氰酸酯、顺丁烯二酸二丁基锡为分析纯产品。4.一种权利要求1或2或3所述的一种硬脂酸/白碳黑固固相变材料的制备方法，具体步骤如下：步骤一：先将硬脂酸和白炭黑在真空干燥箱中，100℃下干燥1h；步骤二：将硬脂酸加入到丙酮中，采用磁力搅拌，混合均匀后加入甲苯-...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳秋，张安然，
申请(专利权)人：徐州工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32