專(zhuān)利名稱(chēng)：一種熱交換異相復(fù)合薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高聚物復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型熱交換異相復(fù)合薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
人們?cè)谑覂?nèi)度過(guò)90%的時(shí)間，而室內(nèi)空氣污染水平可能是室外的2飛倍。如剛裝修的房間甲醛超標(biāo)，廚房中油煙含量過(guò)高，密閉的車(chē)廂、船艙等二氧化碳及水汽含量超標(biāo)，人員集中區(qū)域空氣混濁，這些原因都會(huì)嚴(yán)重影響到人體的健康。日常生活中，室內(nèi)幾乎所有空間都含有灰塵、細(xì)菌、病毒、動(dòng)物毛發(fā)、煙霧和包括石棉在內(nèi)的有害纖維。惡劣的空氣質(zhì)量使得哮喘和過(guò)敏癥更加嚴(yán)重。由于空調(diào)或暖氣的使用，若直接打開(kāi)門(mén)窗讓室內(nèi)外空氣流通， 會(huì)造成冷量或熱量的白白浪費(fèi)。使用全熱空氣交換器，通過(guò)進(jìn)來(lái)的新鮮空氣與排出的混濁空氣在全熱交換膜上進(jìn)行能量和濕度交換，可對(duì)建筑物內(nèi)的空氣能量和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)與回收，從而有效地實(shí)現(xiàn)建筑物的環(huán)保和節(jié)能減排，因此全熱空氣交換器技術(shù)是世界各國(guó)爭(zhēng)相研究和發(fā)展的方向，也是我國(guó)建設(shè)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)的要求。全熱空氣交換薄膜是全熱空氣交換器中的關(guān)鍵部分，但是目前我國(guó)自行生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平，與此同時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家如日本一直對(duì)外實(shí)行較嚴(yán)的技術(shù)封鎖，因此迫使我國(guó)急需開(kāi)展全熱空氣交換薄膜相關(guān)的技術(shù)研發(fā)。在公開(kāi)號(hào)為CN102061026A的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)中，我們公開(kāi)了 “一種透熱透濕的復(fù)合薄膜及其制備方法”，該復(fù)合薄膜具有低成本與高透熱透濕性能等優(yōu)點(diǎn)，作為空氣換熱器的熱交換材料具有良好的應(yīng)用前景。但是該復(fù)合薄膜在力學(xué)性能及氣體阻隔性方面還有待改進(jìn)。為此，我們?cè)谏暾?qǐng)?zhí)枮镃N201110378277.4的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)中，提出了“一種異相離子交換復(fù)合薄膜及其制備方法”，該復(fù)合薄膜在透熱透濕復(fù)合薄膜的基礎(chǔ)上有效地提高了其力學(xué)性能。另外在公開(kāi)號(hào)為CN102382364A的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)中公開(kāi)了“一種纖維素改進(jìn)透濕阻隔復(fù)合薄膜及其制備方法”，該復(fù)合薄膜則是在透熱透濕復(fù)合薄膜的基礎(chǔ)上有效提高了其氣體阻隔性。在各類(lèi)性能中，提高傳熱性能將有效提高全熱交換膜的溫度交換效率，促進(jìn)效能比的提高，熱交換異相復(fù)合薄膜不僅在空氣能量的回收上，在廢水余熱的回收領(lǐng)域也具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。與此同時(shí)，在水處理等領(lǐng)域，熱交換異相復(fù)合薄膜也有一定的用武之地。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)目的是針對(duì)申請(qǐng)?zhí)枮镃N201010576547. 8的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)《一種透熱透濕的復(fù)合薄膜及其制備方法》公開(kāi)的透熱透濕復(fù)合薄膜，探索研究如何進(jìn)一步提高該復(fù)合薄膜的各項(xiàng)性能，包括在保持一定的阻燃、透濕和力學(xué)性能的同時(shí)，如何提高傳熱性能、二氧化碳等氣體的阻隔性能，使其滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，尤其是作為熱交換材料在空氣換熱器中的要求。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種熱交換異相復(fù)合薄膜，包括高聚物和非金屬無(wú)機(jī)物，其中，高聚物具有可溶性或可熔性，非金屬無(wú)機(jī)物具有層狀、網(wǎng)狀或孔狀結(jié)構(gòu)，并且非金屬無(wú)機(jī)物以晶相粉粒分散在高聚物中，其特征是還包括高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，所述的高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料質(zhì)量占高聚物和非金屬無(wú)機(jī)物總質(zhì)量的ι°/Γιο%。所述的高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料包括但不限于石墨、石墨烯、碳納米管、金剛石和金、銀、鋁、銅、鐵以及其他金屬材料中的一種或幾種的混合物。作為優(yōu)選，所述的高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料的質(zhì)量占高聚物和非金屬無(wú)機(jī)物總質(zhì)量的2. 5% 9. 5%，進(jìn)一步優(yōu)選為2. 5% 9%。所述的高聚物包括但不限于聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、可溶性氟碳聚合物、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯以及其他具有熱塑性的高聚物中的一種或幾種的混合物。作為優(yōu)選，所述的高聚物與非金屬無(wú)機(jī)物的質(zhì)量比為9:2 2:8，進(jìn)一步優(yōu)選為5:5 2:8。所述的非金屬無(wú)機(jī)物選自但不限于氧化物、磷酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽、亞硒酸鹽和雜多酸等中的一種或兩種以上的組合物。
其中，所述的氧化物具有通式Q0e/2。e=l 8 ;其中Q選自第二、三、四、五主族元素和過(guò)渡元素，例如:Si02、Al2O3' Sb2O5' SnO2, ZrO2, TiO2, MoO3> OsO4 等。所述的磷酸鹽包括第一、二、三、四、五主族元素以及過(guò)渡元素的各種形式的正磷酸鹽和縮聚磷酸鹽。所述的硅酸鹽包括層狀硅酸鹽、網(wǎng)狀硅酸鹽、孔狀硅酸鹽，例如高嶺土、凹凸棒土、蒙脫土、硅藻土、長(zhǎng)石粉、硅灰石、沸石、方鈉石、NH4-鎵酸鹽中的一種或兩種以上的混合物。所述的硫酸鹽具有通式=DtjHpSqO,;其中D選自第一、二、三、四、五主族元素、過(guò)渡元素或一、二、三、四、五價(jià)基團(tuán);o=l 10, p=0 10, q=l 5, r=2 50。所述的亞硒酸鹽具有通式=EsHtSeuOv;其中E選自第一、二、三、四、五主族元素、過(guò)渡元素或一、二、三、四、五價(jià)基團(tuán)；s=l 10, t=0 10, u=l 5, v=2 50。作為優(yōu)選，所述的非金屬無(wú)機(jī)物為氧化物、硅酸鹽、正磷酸鹽和縮聚磷酸鹽中的一種或組合。本發(fā)明一種熱交換異相復(fù)合薄膜的制備方法是將所述的高聚物用有機(jī)溶劑溶解或升溫軟化制成流體，然后加入適量非金屬無(wú)機(jī)物粉粒和高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，攪拌均勻成分散系，最后將其制成薄膜。所述的將分散系制成薄膜的方法包括但不限于流延法、壓延法、模壓法或蒸發(fā)溶劑法等方法。上述制備方法中，所述的有機(jī)溶劑包括但不限于二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基甲酰胺、二甲基亞砜、乙二醇二甲醚、四氫呋喃、碳酸丙烯酯、丙酮、水、乙醇、甲醇、異丙醇、乙二醇和丙三醇中的一種或幾種的混合溶劑。有機(jī)溶劑的選取原則是該有機(jī)溶劑與高聚物性質(zhì)相匹配，并且盡量選用無(wú)毒和低毒性有機(jī)溶劑。上述制備方法中，將高聚物用有機(jī)溶劑溶解或升溫軟化制成流體，加入適量非金屬無(wú)機(jī)物粉粒和高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，攪拌均勻成分散系時(shí)，優(yōu)選首先在流體中加入非金屬無(wú)機(jī)物粉粒，在35°C飛5°C下恒溫?cái)嚢?Γ12小時(shí)，然后加入高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，繼續(xù)在相應(yīng)溫度下恒溫?cái)嚢鑖 5小時(shí)，最后超聲振蕩或者球磨粉碎15 45分鐘，得到均勻分散。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的熱交換異相復(fù)合薄膜由高聚物和非金屬無(wú)機(jī)物形成薄膜主體，具有層狀、管狀或其它晶格結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料添加其中以增加其特殊性能，其中高聚物具有可溶性或可熔性，主要選取較為廉價(jià)且分子結(jié)構(gòu)緊密的高分子樹(shù)脂，非金屬無(wú)機(jī)物具有層狀、網(wǎng)狀或孔狀結(jié)構(gòu)，以晶相粉粒分散在成膜樹(shù)脂中，主要在薄膜中形成水通道，以增加高分子薄膜的透濕性，使復(fù)合薄膜同時(shí)具備無(wú)機(jī)物的剛性和高分子材料的可加工性，引入高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，該高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料以添加劑形式均勻分散在薄膜中可有效增加復(fù)合薄膜的傳熱性、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。該熱交換異相復(fù)合薄膜具有較好的傳熱、阻燃、透濕和力學(xué)性能，在空氣換熱器、廢水熱能回收裝置以及水處理等領(lǐng)域具有實(shí)際的應(yīng)用前景。另外，本發(fā)明的熱交換異相復(fù)合薄膜的制備方法簡(jiǎn)單易行，制備過(guò)程中由于使用了低毒溶劑和無(wú)毒添加劑，不僅薄膜的導(dǎo)熱等性能有了很大的提高，而且生產(chǎn)過(guò)程更加環(huán)保、大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I中制備得到的熱交換異相復(fù)合薄膜的掃描電鏡圖；圖2是對(duì)比實(shí)施例I制備得到的復(fù)合薄膜與本發(fā)明實(shí)施例I中制備得到的熱交換 異相復(fù)合薄膜的導(dǎo)熱性能測(cè)試對(duì)比圖；圖3是對(duì)比實(shí)施例I制備得到的復(fù)合薄膜與本發(fā)明實(shí)施例3中制備得到的熱交換異相復(fù)合薄膜的熱失重性能測(cè)試對(duì)比具體實(shí)施例方式對(duì)比實(shí)施例I :本對(duì)比實(shí)施例采用專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201010576547. 8，公開(kāi)號(hào)為CN102061026A的
中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利中公開(kāi)的透熱透濕的復(fù)合薄膜，由聚氯乙烯和鈉基蒙脫石組成，其中鈉基蒙脫石以晶相粉粒分散在聚氯乙烯中，形成多相固態(tài)薄膜；聚氯乙烯和鈉基蒙脫石的質(zhì)量比為 4:6。上述復(fù)合薄膜的制備方法為取工業(yè)用聚氯乙烯粉Sg溶于150mL四氫呋喃有機(jī)溶劑中，所得澄清液中加入鈉基蒙脫石，聚氯乙烯粉與鈉基蒙脫石的質(zhì)量比為4:6 ;超聲振蕩20分鐘制成懸濁液，在玻璃板上流延、晾干成自懸掛式膜；在401鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)保持半小時(shí)后揭下薄膜，膜厚為20 μ m 100 μ m，膜質(zhì)軟，任意角度卷折不開(kāi)裂。在大氣氣氛下存放2天后，其外觀無(wú)明顯變化。對(duì)上述復(fù)合薄膜進(jìn)行水蒸氣透過(guò)率測(cè)試，在測(cè)試溫度為38 °C，透過(guò)面相對(duì)濕度為90%的測(cè)試條件下，得到每天每平方米薄膜的水蒸氣透過(guò)為721. 2克，即透濕效果為721. 2g/m2/day ο對(duì)上述復(fù)合薄膜的濕膜進(jìn)行導(dǎo)熱性能測(cè)試，在測(cè)試溫度為25°C的測(cè)試條件下，其測(cè)試結(jié)果如圖2和下表I中所示，導(dǎo)熱系數(shù)為O. 527ff/(m · K)。對(duì)上述復(fù)合薄膜進(jìn)行熱失重分析測(cè)試，在升溫速率為10°C /min、氮?dú)鈿夥盏臈l件下，在400°C時(shí)失重比例達(dá)到30% (如圖3中a曲線所示)。實(shí)施例I :本實(shí)施例中，熱交換異相復(fù)合薄膜由聚氯乙烯、鈉基蒙脫石和石墨粉組成，其中鈉基蒙脫石以晶相粉粒分散在聚氯乙烯成膜樹(shù)脂中，形成多相固態(tài)薄膜；聚氯乙烯粉、鈉基蒙脫石和石墨粉的質(zhì)量比為4:6:0. 25。上述熱交換異相復(fù)合薄膜的制備方法為取工業(yè)用聚氯乙烯粉8g溶于150mL四氫呋喃有機(jī)溶劑中，所得澄清液中加入鈉基蒙脫石和石墨粉，其中聚氯乙烯粉、鈉基蒙脫石和石墨粉的質(zhì)量比為4:6:0. 25，超聲振蕩20分鐘制成懸濁液；然后，將該懸濁液在玻璃板上流延、晾干成自懸掛式膜；最后，在40°C鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)保持半小時(shí)后揭下薄膜，膜厚為20 μ m 100 μ m，膜質(zhì)軟，任意角度卷折不開(kāi)裂。在大氣氣氛下存放2天后，其外觀無(wú)明顯變化。圖I是上述制備得到的熱交換異相復(fù)合薄膜的掃描電鏡圖。從圖I中可以明顯看出，在該三元復(fù)合薄膜內(nèi)部，聚氯乙烯和鈉基蒙脫石牢固結(jié)合并形成了多孔狀的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)有利于水蒸氣的快速通過(guò)，其中橫亙于中間的片層結(jié)構(gòu)是石墨材料，其在孔道中間起到了快速傳熱導(dǎo)電的作用。
對(duì)上述熱交換異相復(fù)合薄膜進(jìn)行水蒸氣透過(guò)率測(cè)試，在測(cè)試溫度為38°C，透過(guò)面 相對(duì)濕度為90%的測(cè)試條件下，得到每天每平方米薄膜的水蒸氣透過(guò)為558. 3克，即透濕效果為558. 3g/m2/day,表明該復(fù)合薄膜具有良好的透濕性能。對(duì)上述復(fù)合薄膜的濕膜進(jìn)行導(dǎo)熱性能測(cè)試，在測(cè)試溫度為25°C的測(cè)試條件下，其測(cè)試結(jié)果如圖2和下表I中所示，導(dǎo)熱系數(shù)為I. 012W/ (m · K)。表I :商業(yè)用膜以及對(duì)比實(shí)施例I與實(shí)施例2中的復(fù)合薄膜的濕膜導(dǎo)熱性能對(duì)比
表
權(quán)利要求
1.一種熱交換異相復(fù)合薄膜，包括高聚物和非金屬無(wú)機(jī)物，其中，高聚物具有可溶性或可熔性，非金屬無(wú)機(jī)物具有層狀、網(wǎng)狀或孔狀結(jié)構(gòu)，并且非金屬無(wú)機(jī)物以晶相粉粒分散在高聚物中，其特征是還包括高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，所述的高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料質(zhì)量占高聚物和非金屬無(wú)機(jī)物總質(zhì)量的ι°/Γιο%。
2.如權(quán)利要求I所述的熱交換異相復(fù)合薄膜，其特征是所述的高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料包括石墨、石墨烯、碳納米管、金剛石、金屬材料中的一種或幾種的混合物。
3.如權(quán)利要求I所述的熱交換異相復(fù)合薄膜，其特征是所述的高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料的質(zhì)量占高聚物和非金屬無(wú)機(jī)物總質(zhì)量的2. 59Γ9. 5%。
4.如權(quán)利要求I所述的熱交換異相復(fù)合薄膜，其特征是所述的高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料的質(zhì)量占高聚物和非金屬無(wú)機(jī)物總質(zhì)量的59Γ9%。
5.如權(quán)利要求I至4中任一權(quán)利要求所述的熱交換異相復(fù)合薄膜，其特征是所述的高聚物包括聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、可溶性氟碳聚合物、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯中的一種或幾種的混合物。
6.如權(quán)利要求I至4中任一權(quán)利要求所述的熱交換異相復(fù)合薄膜，其特征是所述的高聚物與非金屬無(wú)機(jī)物的質(zhì)量比為9:廣2:8。
7.如權(quán)利要求I至4中任一權(quán)利要求所述的熱交換異相復(fù)合薄膜，其特征是所述的非金屬無(wú)機(jī)物選自氧化物、磷酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽、亞硒酸鹽和雜多酸中的一種或兩種以上的組合物。
8.如權(quán)利要求I至4中任一權(quán)利要求所述的熱交換異相復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是將所述的高聚物用有機(jī)溶劑溶解或升溫軟化制成流體，然后加入適量非金屬無(wú)機(jī)物粉粒和高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，攪拌均勻成分散系，最后將其制成薄膜。
9.如權(quán)利要求8所述的熱交換異相復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是所述的將分散系制成薄膜的方法包括流延法、壓延法、模壓法或蒸發(fā)溶劑法。
10.如權(quán)利要求8所述的熱交換異相復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是所述的有機(jī)溶劑包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基甲酰胺、二甲基亞砜、乙二醇二甲醚、四氫呋喃、碳酸丙烯酯、丙酮、水、乙醇、甲醇、異丙醇、乙二醇和丙三醇中的一種或幾種的混合溶劑。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種熱交換異相復(fù)合薄膜及其制備方法，該熱交換異相復(fù)合薄膜由高聚物、非金屬無(wú)機(jī)物和高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料組成，其中非金屬無(wú)機(jī)物以晶相粉粒分散在高聚物基體中，形成多相固態(tài)薄膜；高聚物具有可溶性或可熔性，非金屬無(wú)機(jī)物具有層狀、網(wǎng)狀或孔狀結(jié)構(gòu)，高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料具有層狀、管狀或其它晶格結(jié)構(gòu)，并且高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料質(zhì)量占高聚物和非金屬無(wú)機(jī)物總質(zhì)量的1%~10%。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的熱交換異相復(fù)合薄膜不僅具有較好的阻燃性能和透濕性能，同時(shí)還具有一定的力學(xué)強(qiáng)度或尺寸穩(wěn)定性，以及傳熱性與導(dǎo)電性，在空氣換熱器、廢水熱能回收裝置以及水處理等領(lǐng)域具有實(shí)際的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C08K3/04GK102888062SQ20121033267
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者薛立新, 劉秉鑫, 陳景, 李娟 , 杜旭東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所