專利名稱：用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體及其制備方法
技術領域：
本發明屬于應用相變材料來降低混凝土內部水化熱領域，涉及一種以水為液態載
體、以十六烷微膠囊顆粒為功能成分的用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱功能流體的 制備方法。
背景技術：
大體積混凝土澆筑之后，水泥水化反應釋放的水化熱會導致結構內部的溫度大幅
上升，進而產生較大的溫度應力，導致出現溫度裂縫，嚴重影響結構耐久性。目前常用的降
低大體積混凝土內部溫升的方法是在預埋管道中通水冷卻，但此方法存在導熱能力較低、
冷卻管道分布密度較高、冷卻過程中管壁與混凝土基體的局部溫度梯度過大等問題。有效
解決以上問題的重要途徑是采用導熱能力更強的功能流體代替水作為冷卻介質。 導熱功能流體是將相變材料與液態載體以恰當的方式結合制備出的液態流體。導
熱功能流體中的相變材料在發生固液相變的過程中夠吸收或放出大量熱量，使流體在相變
溫度區間具有更高表觀比熱，從而具有更高的導熱能力。采用導熱功能流體代替水作為冷
卻介質，不僅可以獲得更好的降溫效果，還可有效降低冷卻管導的分布密度和冷卻介質循
環過程中的能耗，有效避免冷卻管道與混凝土基體之間局部微裂縫的出現，對于提高大體
積混凝土結構的施工質量、降低施工費用、節約能源意義重大。
目前導熱功能流體種類及其制備方法主要有 1)相變材料乳液 相變材料乳液是將相變材料直接分散在水中形成乳液。目前制備相變材料乳液的 方法主要有剪切乳化和超聲乳化兩種方法。剪切乳化是發展較早、應用領域廣泛的方法，是 將液體通過高速旋轉的轉子與固定的定子之間的間隙，使液體受到巨大的剪切力而乳化的 方法。剪切乳化方法耗能耗時長，乳液懸浮液滴的直徑在達到一定極限后難以繼續細化，使 其使用受到一定限制；超聲乳化是指在超聲能量作用下，利用超聲波的"空化效應"，使兩種 或兩種以上不相溶液體混合均勻形成分散物系，其中一種液體均勻分布在另一液體之中而 形成乳狀液的工藝過程。超聲乳化具有節時、節能等優勢，獲得了較為廣泛的應用。
相變材料乳液作為導熱流體，不僅要求乳液中的相變彩料液滴具有合適的濃度與 粒徑分布，同時還要求液滴在使用過程中保持良好的懸浮穩定性。但相變材料在溫度變化 過程中不斷發生固_液相變，很容易導致相變材料的聚集結塊，進而出現冷卻效率降低、冷 卻管道堵塞等問題，使其應用受到很大的限制。
2)相變材料微膠囊懸浮液 用高分子聚合物包裹相變材料形成微囊，并將微膠囊分散于水中形成懸浮液，便 可形成在相變溫度區間具有更高導熱能力的功能流體。目前，相變材料微膠囊的制備技術 已較為成熟，導熱流體中的相變材料由于有聚合物外殼包裹，微膠囊懸浮液不易堵塞管道， 相比于相變材料乳液具有更高的應用可行性。但由于相變材料微膠囊的粒徑較小，微膠囊 顆粒在范德華力的作用下容易相互吸引發生碰撞并黏附在一起，導致流體的懸浮穩定性大大降低。同時，懸浮體系的酸堿度、濃度等條件也會對其穩定性產生較大的影響。相變材料 微膠囊懸浮液的穩定性是其獲得理想應用效果的重要制約因素。
發明內容
本發明針對目前的相變材料微膠囊懸浮液的穩定性不夠好的缺點，提供了一種用
于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體及其制備方法，兼顧了良好的穩定性與較高的導 熱能力。 本發明的技術方案為一種用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體，為一 種微膠囊懸浮液，以十六烷微膠囊為分散質，以水為液態載體，采用0. 2-0. 3% wt的羥 甲基纖維素為分散劑，液態體系的酸堿度為PH = 7-9、相變材料十六烷微膠囊的濃度為 10-30% wt，所述的十六烷微膠囊的壁材為聚脲-蜜胺樹脂，相變溫度為17. 42t:，相變焓為 147. 93J/g，粒徑范圍為1. 51-10. 48咖。 所述的用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體的具體制備過程如下 將羥甲基纖維素溶解于50-7(TC的水中，使其分子能夠在水中充分伸展，配制成
5% wt的溶液后冷卻至室溫待用； 將1質量份的十六烷微膠囊加入到3-10質量份的水中，室溫下采用數顯式攪拌機
以200-300r/min的轉速攪拌10-15min，攪拌過程中加入0. 04-0. 06質量份的5% wt的羥
甲基纖維素溶液，使羥甲基纖維素分子吸附在相變材料微膠囊顆粒表面，進而使微膠囊顆
粒之間產生混合位阻斥力作用，制成性能較為穩定的相變材料微膠囊懸浮液；在攪拌速度為200-300r/min條件下，向相變材料微膠囊懸浮液中緩慢滴加10%
wt的NaOH溶液調節pH = 8± 1，滴加完畢后再在200-300r/min轉速下攪拌10min，使羥甲
基纖維素的空間位阻作用得以充分發揮，制備成懸浮性能穩定的相變材料微膠囊懸浮液也
就是用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體。 有益效果 1.濃度為20% wt的十六烷微膠囊懸浮液在72h內未出現分層現象，懸浮穩定性 高。 2.相變材料微膠囊懸浮液在相變溫度區間具有較高的表觀比熱。10%wt、20% wt、30% wt微膠囊濃度的懸浮液的最高比熱分別可達7. 137J/g°C、7. 779J/g°C、8. 716J/ g"C，分別為水的1. 70、 1. 86和2. 08倍。 3.濃度分別為10% wt、20% wt、30% wt的相變材料微膠囊懸浮液具有良好的流 動性，其恩氏粘度分別比水增加5% wt、9% wt和21% wt，增加幅度小，流動性好。
4.在出入口溫度分別為15°C和25°C 、冷卻液流速為16L/m3h、混凝土試件半絕 熱條件下，采用濃度為20%的相變材料微膠囊懸浮液作為冷區介質與采用水作為冷卻介 質對混凝土內部溫升的降低分別為6. 6t:和4. rC，降溫幅度分別為最高溫升的18. 0%和 28. 9%。
圖1分散劑品種對微膠囊懸浮液穩定性的影響。
圖2羥甲基纖維素摻量對微膠囊懸浮液穩定性的影響。
4
圖3體系酸堿度對相變材料微膠囊懸浮液穩定性的影響。 圖4不同濃度相變材料微膠囊懸浮液的比熱。 圖5不同濃度相變材料微膠囊懸浮液的粘度。 圖6不同冷卻介質對混凝土試塊的降溫效果。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做出具體說明。
實施例1 —種用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體，為一種微膠囊懸浮液，以十六 烷微膠囊為分散質，以水為液態載體，采用0. 25% wt的羥甲基纖維素為分散劑，液態體系 的酸堿度為PH = 8、相變材料十六烷微膠囊的濃度為20% wt，所述的十六烷微膠囊的壁材 為聚脲-蜜胺樹脂，相變溫度為17. 42t:，相變焓為147. 93J/g，粒徑范圍為1.51-10. 48um。
所述的用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體的具體制備過程如下
將羥甲基纖維素溶解于7(TC的水中，使其分子能夠在水中充分伸展，配制成5X wt的溶液后冷卻至室溫待用； 將1質量份的十六烷微膠囊加入到4質量份的水中，室溫下采用數顯式攪拌機以 200-300r/min的轉速攪拌10-15min，攪拌過程中加入質量為0. 04M的5% wt的羥甲基纖維 素溶液，使羥甲基纖維素分子吸附在相變材料微膠囊顆粒表面，進而使微膠囊顆粒之間產 生混合位阻斥力作用，制成性能較為穩定的相變材料微膠囊懸浮液； 在攪拌速度為200-300r/min條件下，向相變材料微膠囊懸浮液中緩慢滴加10% wt的NaOH溶液調節pH = 8，滴加完畢后再在200-300r/min轉速下攪拌10min，使羥甲基纖 維素的空間位阻作用得以充分發揮，制備成懸浮性能穩定的相變材料微膠囊懸浮液也就是 用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體。
實施例2 —種用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體，為一種微膠囊懸浮液，以十六 烷微膠囊為分散質，以水為液態載體，采用0. 2% wt的羥甲基纖維素為分散劑，液態體系的 酸堿度為PH = 7、相變材料十六烷微膠囊的濃度為10% wt，所述的十六烷微膠囊的壁材為 聚脲-蜜胺樹脂，相變溫度為17. 42t:，相變焓為147. 93J/g，粒徑范圍為1.51-10. 48um。
所述的用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體的具體制備過程如下
將羥甲基纖維素溶解于6(TC的水中，使其分子能夠在水中充分伸展，配制成5X wt的溶液后冷卻至室溫待用； 將1質量份的十六烷微膠囊加入到9質量份的水中，室溫下采用數顯式攪拌機以 200-300r/min的轉速攪拌10-15min，攪拌過程中加入質量為0. 04M的5% wt的羥甲基纖維 素溶液，使羥甲基纖維素分子吸附在相變材料微膠囊顆粒表面，進而使微膠囊顆粒之間產 生混合位阻斥力作用，制成性能較為穩定的相變材料微膠囊懸浮液； 在攪拌速度為200-300r/min條件下，向相變材料微膠囊懸浮液中緩慢滴加10% wt的NaOH溶液調節pH = 7，滴加完畢后再在200-300r/min轉速下攪拌10min，使羥甲基纖 維素的空間位阻作用得以充分發揮，制備成懸浮性能穩定的相變材料微膠囊懸浮液也就是 用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體。
實施例3 —種用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體，為一種微膠囊懸浮液，以十六 烷微膠囊為分散質，以水為液態載體，采用0. 3% wt的羥甲基纖維素為分散劑，液態體系的 酸堿度為PH = 9、相變材料十六烷微膠囊的濃度為25% wt，所述的十六烷微膠囊的壁材為 聚脲-蜜胺樹脂，相變溫度為17. 42t:，相變焓為147. 93J/g，粒徑范圍為1.51-10. 48um。
所述的用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體的具體制備過程如下
將羥甲基纖維素溶解于5(TC的水中，使其分子能夠在水中充分伸展，配制成5% wt的溶液后冷卻至室溫待用； 將i質量份的十六烷微膠囊加入到3質量份的水中，室溫下采用數顯式攪拌機以 200-300r/min的轉速攪拌10-15min，攪拌過程中加入質量為0. 06M的5% wt的羥甲基纖維 素溶液，使羥甲基纖維素分子吸附在相變材料微膠囊顆粒表面，進而使微膠囊顆粒之間產 生混合位阻斥力作用，制成性能較為穩定的相變材料微膠囊懸浮液； 在攪拌速度為200-300r/min條件下，向相變材料微膠囊懸浮液中緩慢滴加10% wt的NaOH溶液調節pH = 9，滴加完畢后再在200-300r/min轉速下攪拌10min，使羥甲基纖 維素的空間位阻作用得以充分發揮，制備成懸浮性能穩定的相變材料微膠囊懸浮液也就是 用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體。 圖1為分散劑品種對微膠囊懸浮液穩定性的影響，各種分散劑摻量均為微膠囊質 量的O. 1%。由圖l可知，采用不同品種的分散劑配制的相變材料微膠囊懸浮液的穩定性差 別明顯。在摻量均為0. 1% wt的情況下，采用羥甲基纖維素做分散劑制備的懸浮液穩定性 最好，開始出現明顯分層的時間較長；而采用其它兩種分散劑制備的懸浮液穩定性較差，開 始出現分層的時間也較短。 圖2為羥甲基纖維素摻量對微膠囊懸浮液穩定性的影B向，懸浮液體系的pH二 7。 由圖2可知，隨著羥甲基纖維素摻量的增加，相變材料微膠囊懸浮液的分層體積先減少后 增加，在羥甲基纖維素摻量為0. 2-0. 3%時，相變材料微膠囊懸浮液的分層體積最小，具有 較高的懸浮穩定性；所以在制備相變材料微膠囊懸浮液作為導熱功能流體時，分散劑羥甲 基纖維素的最佳摻量為0. 2-0. 3% 圖3為體系酸堿度對相變材料微膠囊懸浮液穩定性的影響，羥甲基纖維素摻量為 微膠囊質量的O. 2%。由3可知，懸浮體系的酸堿度對相變材料微膠囊懸浮液的穩定性具有 明顯影響。pH值在7 9之間，懸浮液穩定性較好。這時羥甲基纖維素幾乎完全作用于相 變材料微膠囊顆粒表面，羥甲基纖維素高分子鏈的空間位阻作用較大，懸浮體具有較高的 穩定性；PH值低于7時，相變材料微膠囊顆粒與羥甲基纖維素發生高親和吸附，飽和吸附量 增大，所需羥甲基纖維素的用量增大，此時高分子鏈的空間位阻作用降低，因而懸浮體的絮 凝傾向較大，穩定性較差；PH值大于9后，由于羥甲基纖維素的吸附量隨pH值增大而減少， 剩余的羥甲基纖維素分子進入液相，使其濃度增大，高分子鏈的橋連作用也增大，導致體系 的絮凝傾向增大，懸浮液穩定性下降；當PH值為8士1時，體系穩定性最好，羥甲基纖維素分 子鏈充分伸展，在空間位阻效應的作用下使體系的分散性能達到最佳狀態。所以在制備相 變材料微膠囊懸浮液作為導熱功能流體時，體系pH值為8± 1時穩定性最好。
圖4為不同濃度相變材料微膠囊懸浮液的比熱。由圖4可知，在相變溫度區間 內，濃度分別為10%、20%、30%的懸浮液的比熱明顯增加，比熱峰值分別為7. 137J/g°C、7. 779J/VC和8. 716J/g°C，分別為水的1. 70倍、1. 86倍和2. 08倍。懸浮液中相變材料微 膠囊顆粒濃度越高，在相變溫度區間內發生固液相變的材料質量越多，吸收的熱量也越多， 表現為最大瞬時比熱越大；不同濃度的相變材料微膠囊懸浮液比熱峰值出現的溫度均為 18. 5-19. (TC之間，這是由微膠囊中芯材的相變溫度決定的；在非相變溫度區，相變材料微 膠囊顆粒濃度越高，懸浮液的比熱值越低。雖然懸浮液的比熱在非相變溫度區間均低于水， 但與水的比熱差別較小。這是由于相變材料微膠囊在不發生相變時自身的比熱低于水導致 的。在相變溫度區間內，相變材料微膠囊懸浮液的比熱明顯增加，說明其導熱能力明顯增 加。 圖5為不同濃度相變材料微膠囊懸浮液的粘度。由圖5可知，隨著相變材料微膠 囊濃度的增加，懸浮液的粘度呈增加趨勢。濃度分別為10% wt、20% wt、30% wt相變材料 微膠囊懸浮液相比于水其恩氏粘度分別增加5 % 、9 %和21 % ，增加幅度較小，具有很好的 流動性。 圖6為不同冷卻介質對混凝土試塊的降溫效果。由圖6可知，在不采取冷卻措施 情況下，混凝土試塊中的最高溫度為52. 6t:，最高溫升為22. 8°C。采用水和相變材料微膠 囊懸浮液作為冷卻介質混凝土試塊中的最高溫度分別為48. 5t:和46t:，溫度峰值分別降 低4. rC和6. 6°C，降溫幅度分別為最高溫升的18. 0%和28. 9%。相變材料微膠囊懸浮液 的降溫效果明顯高于水的降溫效果。
權利要求
一種用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體的制備方法，其特征在于，步驟為第一步，將1質量份的十六烷微膠囊加入到3-10質量份的水中，室溫下邊攪拌邊加入0.04-0.06質量份的5％wt的羥甲基纖維素水溶液，制成相變材料微膠囊懸浮液，所述的十六烷微膠囊的壁材為聚脲-蜜胺樹脂，相變溫度為17.42℃，相變焓為147.93J/g，粒徑范圍為1.51-10.48um；第二步，調節第一步制得的相變材料微膠囊懸浮液的pH＝8±1，然后繼續攪拌得到懸浮性能穩定的相變材料微膠囊懸浮液，也就是用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體。
2. 如權利要求1所述的用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體的制備方法，其特 征在于，攪拌速度為200-300r/min。
3. 如權利要求1所述的用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體的制備方法，其特 征在于，采用10% wtNaOH溶液調節pH值。
4. 如權利要求1所述的用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體的制備方法制備 的導熱流體，其特征在于，為一種微膠囊懸浮液，以十六烷微膠囊為分散質，以水為液態載 體，采用0. 2-0. 3% wt的羥甲基纖維素為分散劑，液態體系的酸堿度為pH = 7-9、相變材料 十六烷微膠囊的濃度為10-30 % wt，所述的十六烷微膠囊的壁材為聚脲-蜜胺樹脂，相變溫 度為17. 42。C，相變焓為147. 93J/g，粒徑范圍為1. 51-10. 48um。
全文摘要
本發明公開了一種用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體及其制備方法，方法為第一步，將1質量份的十六烷微膠囊加入到3-10質量份的水中，室溫下邊攪拌邊加入0.04-0.06質量份的5％wt的羥甲基纖維素水溶液，制成相變材料微膠囊懸浮液，所述的十六烷微膠囊的壁材為聚脲-蜜胺樹脂，相變溫度為17.42℃，相變焓為147.93J/g，粒徑范圍為1.51-10.48um；第二步，調節第一步制得的相變材料微膠囊懸浮液的pH＝8±1，然后繼續攪拌得到懸浮性能穩定的相變材料微膠囊懸浮液，也就是用于降低大體積混凝土內部溫升的導熱流體。導熱流體的懸浮穩定性高，表觀比熱較高，具有良好的流動性。
文檔編號C09K5/06GK101712862SQ20091023270
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者李志剛, 錢春香, 高桂波 申請人:東南大學