改進的相變組合物的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及更均一的含三水乙酸鈉的相變材料、所述材料的制備方法、以及它們 在相變系統中的實用性。更特別地，本發明涉及相變組合物的應用，該相變組合物包括三水 乙酸鈉、用于抑制在含三水乙酸鈉的相變材料中形成無水乙酸鈉結晶的至少一種堿溶性聚 合物、以及至少一種三水乙酸鈉成核促進劑。
[0002] 發明背景
[0003] 市面上有很多加熱冷卻系統，其中多數都依賴于化石燃料。隨著對更環保系統的 需求不斷增加，提出了基于太陽光或水的各種可選擇的系統，諸如，例如太陽光電、太陽能 熱發電機、水力電氣、波浪發電和生物燃料。
[0004] 所有的太陽能驅動可再生能量轉換設備、一些水驅動設備以及風力渦輪機的共同 問題在于它們不能"按需"運行，因為太陽不是總在照耀，海浪并不總是很高，風并不一直 吹。這意味著有時這些被稱為間歇可再生能源產生的電力將不易并入它們相應的本地電網 中，正因如此已提出許多存儲方案。
[0005] 在W02009/138771中提出的熱能存儲系統在可用時，將從間歇可再生能源獲得 的過剩電能轉換為熱能或冷能，在蓄熱器中儲存這樣轉換的熱能或冷能，然后用相變材料 (PCM)通過它們固有的固-液相變化的性能，影響能量轉換，將其按需轉為有用的熱能或冷 能。
[0006] 對于家庭情況的實際應用，需要這樣的相變材料，該相變材料能夠供應只比個體 所需熱水的舒適水平溫度略高的溫水，或甚至熱水。此外，適用于這種實際應用的相變材料 在它們相變時向內以及向外的熱傳遞速率應該與家庭使用相稱，并且傳遞可接受的熱力學 穩定性水平（效率）。
[0007] 三水乙酸鈉（SAT)在用于家庭應用所期望的溫度范圍內可固-液相變。但是，SAT 作為相變材料（PCM)的實際應用受限于在設定溫度58°C，從固體SAT熔化為液體SAT與固 體（乙酸鈉/SA)混合物的獨特不一致的方式。不能在58°C獲得完全液態溶液是個問題， 其體現在水溶液在初始加熱時的熱力學穩定性、以及依照相變系統中的正常加熱/冷卻循 環，在冷卻后重加熱獲得的再形成水溶液的熱力學穩定性中。
[0008] 在熔融過程中形成固體對于SAT用作PCM是個問題，因為這個固體SA-經形成， 通常將保留在相變系統的PCM的整個使用期中。
[0009] 之前克服這個問題的嘗試是通過應用三維交聯聚合物，比如纖維素基聚合物和高 吸水性聚合物，來作為固體支撐物，該嘗試并未成功，因為不管初始的固體形成明顯減少， 固體乙酸鈉形成的潛在問題并未解決，隨著時間推移固體乙酸鈉仍將從溶液中沉淀出，不 可逆地聚集在PCM存儲容器的底部。對于作為PCM應用，具有有限使用期的方案不可接受。
[0010] 本發明的至少一方面的目的在于消除或減輕至少一個或多個前述問題，該問題與 三水乙酸鈉作為潛在PCM用于水相變系統中的應用有關。
[0011] 本發明的至少一方面的目的在于提供含三水乙酸鈉的改進的相變材料，該相變材 料具有理想的均一性、抗SA形成性，在相變系統中適用。
[0012] 本發明的至少一方面的目的在于提供含三水乙酸鈉的改進的相變材料，該相變材 料可以重復循環地被加熱、冷卻、再加熱，并保有熱力學穩定性。
[0013] 申請人開發了新型的創造性的用作相變材料的水狀組合物，其包括：三水乙酸鈉； 用于抑制在含三水乙酸鈉的相變材料中形成無水乙酸鈉結晶的至少一種堿溶性聚合物；以 及至少一種三水乙酸鈉成核促進劑。申請人還開發了所述改進的相變材料的制備方法。
【發明內容】
[0014]申請人開發了新型的創造性的相變組合物，該相變組合物作為相變材料，含三水 乙酸鈉。
[0015] 相應地，本發明提供了作為相變材料的含三水乙酸鈉組合物，其包括：
[0016] (a)三水乙酸鈉或無水乙酸鈉；
[0017] (b)至少一種適合的堿溶性聚合物；
[0018] (c)至少一種適合的成核促進劑；以及
[0019] (d)水。
[0020] 如下文實施例所展示，申請人意外地發現，本發明作為相變材料的含三水乙酸鈉 組合物在均一性和熱力學穩定性上，比起以前使用三水乙酸鈉作為PCM能夠實現的，展現 出前所未有的提高。特別地，申請人發現本發明作為相變材料的含三水乙酸鈉組合物在加 熱和冷卻時，抗結晶乙酸鈉成核。
[0021] 根據另一方面，本發明提供了一種根據本發明的組合物作為適用于相變系統中的 相變材料的應用。
[0022] 申請人還開發了一種新型的制備根據本發明的組合物的方法。根據另一方面，本 發明提供了作為相變材料的含三水乙酸鈉組合物的制備方法，其包括：
[0023](a)將含無水乙酸鈉的水溶液、至少一種適合的堿溶性聚合物和至少一種成核促 進劑混合；
[0024](b)加熱所得混合物，以提供58°C的含三水乙酸鈉的相變材料。
[0025] 當使用三水乙酸鈉時，遵循下列步驟：
[0026] (a)將三水乙酸鈉加熱至溫度超過58°C;以及
[0027](b)將三水乙酸鈉、至少一種適合的堿溶性聚合物和至少一種成核促進劑混合。
[0028] 附圖簡要說明
[0029] 參照附圖，將對本發明的實施方式僅作為范例進行描述，其中：
[0030] 圖1為乙酸鈉和水的相圖，其示出在約58°C時，乙酸鈉在水中的溶解極限為約 58. 0%，然而相應的在58°C熔化的三水乙酸鈉由60. 28%的SA和39. 72%的水組成，點2指 出的值明顯高于在58°C的溶解極限。
[0031] 圖2為提出的機理，其中聚合物與高亞穩定亞臨界乙酸鈉分子簇的表面相互作 用，通過阻斷機理防止或阻止進一步生長成微晶，并因此在適當的時候沉淀該物質。
[0032] 圖3展現了通過添加各種水平的乙酰胺所獲得的結晶溫度。
【具體實施方式】
[0033]根據本發明的新型組合物為作為相變材料的水狀組合物，該水狀組合物含三水乙 酸鈉NaOAc·3Η20,也被稱為SAT。無水乙酸鈉，也被稱為SA，其任意形式可用于制備根據本 發明的作為PCM的含SAT新型組合物。為避免疑義，這意味著因為NaOAc的所有固體形式 都為晶體，因此可使用任何晶形。
[0034] 在制備根據本發明的水狀組合物中使用的無水乙酸鈉水平為組合物總重量的約 40%至約60%之間。這對應于在本發明的水狀組合物中，三水乙酸鈉的相對量為約66%至 約100%。為避免疑義，根據本發明的組合物基本不含固體無水乙酸鈉，并更優選不含固體 無水乙酸鈉。
[0035] 為避免疑義，當在本文中所述的根據本發明的任意特定組合物中，未詳細說明水 的實際量或相對量時，應當理解為，所需水的實際量或相對量無論按重量計或相對體積計， 都將足以使組合物達到100%。可使用純凈水、蒸餾水或正常供應的水。
[0036] 如上文所指出，盡管在對于家庭加熱目的所期望溫度范圍內具有相變，迄今將三 水乙酸鈉應用為潛在的PCM仍然會受到阻礙，因為其內部熔化不一致。在熔化過程中，在設 定溫度58°C下，三水乙酸鈉從固體SAT轉變至液體SAT和固體的混合物。這是因為形成了 無水乙酸鈉NaOAc或SA。為避免疑義，當本文使用乙酸鈉或SA這個詞時，其指的是無水乙 酸鈉，其不同于任何含水形式，或特別地三水乙酸鈉SAT。如圖1乙酸鈉和水的相圖中點1 所指示，在約58°C時乙酸鈉在水中的溶解極限為約58. 0%，然而相應的在58°C熔化的三水 乙酸鈉由60. 28%的SA和39. 72%的水組成，圖1中點2指出的值明顯高于在58°C的溶解 極限。當在水狀SAT熔化期間形成SA，可通過添加更多的水恢復全液態，將組合物改變為 58%SA的組合物，并溶解無水SA，由此在58°C提供全液體材料。如此制備的溶液熱力學穩 定，即其不在亞穩區，也不在過飽和區，因此沒有額外的固體物質（SA)會結晶。
[0037] 如上文所闡述，這種恢復的包括水和三水乙酸鈉的液體溶液不適合用作相變劑， 因為其不能被冷卻然后重加熱來提供熱力學穩定的均一液體。如下文所闡述的實施例，申 請人發現，當這種溶液冷卻，并有一些三水乙酸鈉晶種時，形成三水乙酸鈉的固體樣品。申 請人還發現當這種冷卻溶液又被加熱至58°C時，形成具有一些固體無水乙酸鈉SA的溶液