用于热水箱和冷水箱之间的隔热材料及其制备方法、净水机与流程

本发明涉及一种用于热水箱和冷水箱之间的隔热材料及其制备方法、净水机。

背景技术：

1、现在的净水机往往是多种功能水集成，最为常见的是常温水、热水、冷水；另外为了达到各种出水都是大流量，又常常选择使用水箱储水，来实现大流量出水需求。在这种情况下，热水箱往往影响常温水箱、冷水箱的温度。

2、目前最为常见的就是在各水箱外面包裹聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、硅胶保温棉、岩棉/玻璃棉等保温材料，少数高端机型使用真空保温层、气凝胶保温毡。

3、另外再辅以电控逻辑，当检测到常温水箱、冷水箱温度达到某个值后，就把常温水箱、冷水箱里的水排掉，换上新的水。

4、虽然用了上述保温材料后，能起到隔热的作用，但是净水机本身体积小，留给保温材料的空间有限，保温材料越薄，保温效果越差。而且保温材料各有各的缺点：

5、①聚氨酯泡沫：通过发泡工艺直接填充水箱外壳和内胆的缝隙，效果好，但是需要的厚度至少10-20mm；

6、②聚苯乙烯泡沫：拼接式安装（需预制成板材切割贴合），存在微小缝隙，散热速率比聚氨酯泡沫高15-20%，且耐高温性一般（长期使用温度≤80℃，部分高温热水箱譬如95℃不适用）；

7、③硅胶保温棉：保温性能略逊于聚氨酯泡沫，需搭配铝箔层提升隔热效果，成本较高（比聚氨酯泡沫高30%）；

8、④岩棉/玻璃棉：保温性能一般，且吸水性强需要额外做防潮处理，纤维容易脱落需要额外增加无纺布包裹，且重量较大，增加产品运输成本；

9、⑤真空保温层：成本极高（比聚氨酯泡沫高3~5倍），易受碰撞破损（真空腔破裂后保温效果失效）；

10、⑥气凝胶保温毡：成本高（比聚氨酯泡沫高2~3倍），柔性较差（需裁剪贴合，接口处易漏热）。

11、电控逻辑虽然可以有效控制水温，但是靠换水来实现，实际会浪费水资源，增加滤芯寿命使用量，水效等级降低，间接增加用户使用成本（水费、滤芯更换费用）。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中隔热材料无法在不额外增加空间的条件下实现冷、热、常温水箱的隔热/冷、保温效果的缺陷，提供一种用于热水箱和冷水箱之间的隔热材料及其制备方法、净水机。该隔热材料在不额外多增加空间的前提下，做好冷、热、常温水箱的隔热/冷、保温效果。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、本发明提供了一种用于热水箱和冷水箱之间的隔热材料，其包括从内而外依次叠设的缓冲层、导热层和隔热层；其中，所述缓冲层包括相变材料；所述隔热层包括气凝胶；所述导热层包括石墨烯微型热管；所述缓冲层靠近所述热水箱，所述隔热层靠近所述冷水箱。

4、在一些优选实施方案中，所述缓冲层的厚度为3-5mm，例如为4mm。

5、在一些优选实施方案中，所述缓冲层、所述导热层和所述隔热层的厚度比为（3-5）：（1-2）：2，例如为4:1:2。

6、在一些优选实施方案中，所述隔热材料的总厚度为不大于8mm，优选为6-8mm，例如为7mm或7.2mm。

7、在一些优选实施方案中，所述缓冲层中相变材料包括石蜡基相变材料和/或低温化改性材料，所述低温化改性材料优选为改性三水醋酸钠、硬脂酸基复合材料或赤藓糖醇。

8、在一些优选实施方案中，所述缓冲层采用柔性复合涂层或者薄片结构。

9、在本发明一些优选实施方案中，所述缓冲层的上下两面通过12μm厚pi铝塑膜真空热封。

10、在本发明一些优选实施方案中，所述真空热封的真空度≤-0.098mpa。

11、在本发明一些优选实施方案中，所述缓冲层的尺寸按照所述热水箱的相邻面尺寸定制。

12、在本发明一些优选实施方案中，所述缓冲层的尺寸公差为±0.5mm。

13、在本发明一些优选实施方案中，所述缓冲层的相变熔点为55℃±1℃。

14、在本发明一些优选实施方案中，所述缓冲层的相变潜热≥200j/g。

15、在本发明一些优选实施方案中，所述缓冲层的热循环稳定性≥10000次。在一些优选实施方案中，所述嵌入凹槽的深度为0.5-1mm，例如为0.8mm。所述嵌入凹槽用于嵌入所述导热层。

16、在一些优选实施方案中，所述石墨烯材料的导热系数>1500w/m·k，例如为1800w/m·k。

17、在一些优选实施方案中，所述导热层中所述石墨烯材料的直径为0.8-1.2mm。本发明中，所述直径是指单根石墨烯微型热管的外径。

18、在本发明一些优选实施方案中，所述不锈钢毛细管为304食品级不锈钢精密毛细管。

19、在本发明一些优选实施方案中，所述不锈钢毛细管的标称外径为1.0mm±0.03mm。

20、在本发明一些优选实施方案中，所述不锈钢毛细管的壁厚为50μm±5μm。

21、在本发明一些优选实施方案中，所述不锈钢毛细管的内径为0.9mm±0.05mm。

22、在本发明一些优选实施方案中，所述不锈钢毛细管为无缝管。

23、在本发明一些优选实施方案中，所述不锈钢毛细管的内壁粗糙度≤0.2μm。

24、在本发明一些优选实施方案中，所述石墨烯薄膜为高导热石墨烯薄膜。

25、在本发明一些优选实施方案中，所述石墨烯薄膜的厚度为20μm。

26、在本发明一些优选实施方案中，所述石墨烯薄膜的面内导热系数≥1800w/m·k。

27、在本发明一些优选实施方案中，所述石墨烯薄膜的面电阻≤10ω/sq。

28、在本发明一些优选实施方案中，所述单根石墨烯微型热管的等效轴向热导率≥22000w/m·k。

29、在本发明一些优选实施方案中，所述单根石墨烯微型热管的毛细压头≥3kpa。

30、在本发明一些优选实施方案中，所述单根石墨烯微型热管的氦质谱检漏漏率<1×10-9pa·m3/s。

31、在一些优选实施方案中，所述导热层的厚度为1-2mm，例如为1mm。

32、在一些优选实施方案中，所述导热层和所述缓冲层之间设置有导热增强层。所述导热增强层优选包括纳米银导热胶。

33、在一些优选实施方案中，所述隔热层的厚度为1-3mm，例如为2mm。

34、在本发明一些优选实施方案中，所述纳米气凝胶的导热系数<0.018w/m·k。

35、在本发明一些优选实施方案中，所述纳米气凝胶的孔隙率为90%以上。

36、在本发明一些优选实施方案中，所述纳米气凝胶的厚度为0.3mm±0.02mm或2.0mm±0.05mm。优选地，所述纳米气凝胶的厚度为2.0mm±0.05mm。

37、在本发明一些优选实施方案中，所述纳米气凝胶的导热系数在25℃下≤0.015w/m·k。

38、在本发明一些优选实施方案中，所述纳米气凝胶的憎水率≥99%。

39、在本发明一些优选实施方案中，所述纳米气凝胶的使用温度范围为-50℃至200℃。

40、在一些优选实施方案中，所述隔热层远离所述导热层的一侧还设置有保护壳，所述保护壳紧邻所述冷水箱设置。本发明中，所述隔热层在叠设方向上的厚度为1-3mm，例如为2mm。

41、本发明中，所述隔热层可包括纳米气凝胶。

42、其中，优选地，所述纳米气凝胶的导热系数可<0.018w/m·k。

43、其中，优选地，所述纳米气凝胶的孔隙率可为90%以上。

44、其中，所述隔热层还包括红外反射层，所述红外反射层设置于所述隔热层远离所述导热层的一侧。

45、其中，所述红外反射层的材料可为铝。

46、在本发明一些优选实施方案中，所述红外反射层的厚度为6μm。

47、在本发明一些优选实施方案中，所述红外反射层为铝箔。

48、在本发明一些优选实施方案中，所述红外反射层的热辐射阻断率为92%以上。优选地，所述红外反射层的热辐射阻断率为95%以上。

49、在本发明一些优选实施方案中，所述保护壳的材料为聚丙烯。

50、在本发明一些优选实施方案中，所述保护壳的厚度为0.2mm。

51、其中，在一些更优选实施方案中，所述纳米气凝胶的种类为sio2气凝胶。

52、本发明还提供了一种如上所述的隔热材料的制备方法，其包括以下步骤：

53、（1）制备所述缓冲层包括将包含相变材料的复合熔体制备为具有所述嵌入凹槽的缓冲层；

54、（2）制备所述导热层包括制备多根所述石墨烯微型热管，并将多根所述石墨烯微型热管布置为蜂窝状阵列；

55、（3）制备所述隔热层包括制备包含气凝胶且具有所述配合凹槽的隔热层；

56、（4）将所述导热层的一侧嵌入所述嵌入凹槽内，并将所述导热层的另一侧嵌入所述配合凹槽内，使所述缓冲层、所述导热层和所述隔热层形成从内而外依次叠设的所述隔热材料；

57、其中，步骤（1）至步骤（3）不分先后顺序。

58、在一些优选实施方案中，所述相变主剂为正构烷烃石蜡。

59、在一些优选实施方案中，所述成核剂为无水硼砂。

60、在一些优选实施方案中，所述导热增强剂为石墨烯。

61、在一些优选实施方案中，所述弹性增韧剂为sebs热塑性弹性体。

62、在一些更优选实施方案中，所述相变主剂为正构烷烃石蜡、所述成核剂为无水硼砂、所述导热增强剂为石墨烯，所述弹性增韧剂为sebs热塑性弹性体。

63、在一些更优选实施方案中，所述相变主剂、所述成核剂、所述导热增强剂和所述弹性增韧剂的质量比为72:2:8:15。

64、在一些优选实施方案中，所述搅拌的温度为85℃。

65、在一些优选实施方案中，所述搅拌的时间为30min。

66、在一些优选实施方案中，所述搅拌的转速为800r/min。

67、在一些优选实施方案中，搅拌后进行真空脱泡15min。在一些更优选实施方案中，步骤（1）中，将所述包含相变材料的复合熔体注入具有凹槽成型部的模具中，并进行模压成型，冷却脱模后得到具有所述嵌入凹槽的缓冲层。

68、在一些优选实施方案中，所述模压成型的温度为85℃。

69、在一些优选实施方案中，所述模压成型的压力为12mpa。

70、在一些优选实施方案中，所述模压成型的时间为8min。

71、在一些更优选实施方案中，所述模压成型的温度为85℃，压力为12mpa，时间为8min。

72、在一些优选实施方案中，所述嵌入凹槽的深度为0.5-1mm，例如为0.8mm。

73、在一些优选实施方案中，步骤（2）中，所述单根石墨烯微型热管通过如下方式制备：在不锈钢毛细管内进行石墨烯电泳沉积，以在所述不锈钢毛细管的内壁形成石墨烯沉积层，对沉积有所述石墨烯沉积层的不锈钢毛细管进行抽真空、工质充注和封装，得到所述单根石墨烯微型热管。

74、在一些优选实施方案中，所述不锈钢毛细管的外径为0.95-1.2mm，例如为1mm。

75、在一些优选实施方案中，所述不锈钢毛细管的壁厚为50μm。

76、在一些优选实施方案中，所述不锈钢毛细管的内径为0.9mm。

77、在一些优选实施方案中，所述石墨烯电泳沉积所用电泳沉积液为氧化石墨烯水分散液。

78、在一些优选实施方案中，所述石墨烯电泳沉积所用电泳沉积液浓度为5g/l。

79、在一些优选实施方案中，氧化石墨烯的片径为2-5μm。

80、在一些优选实施方案中，氧化石墨烯的碳含量≥99%。

81、在一些优选实施方案中，所述石墨烯电泳沉积所用沉积电压为20v直流电压。

82、在一些优选实施方案中，所述石墨烯电泳沉积时间为10min。

83、在一些优选实施方案中，所述石墨烯电泳沉积温度为25℃。

84、在一些优选实施方案中，沉积完成后，将所述不锈钢毛细管置于氩气气氛中，在1000℃下烧结还原2h。在一些更优选实施方案中，所述石墨烯电泳沉积所用电泳沉积液为氧化石墨烯水分散液，浓度为5g/l，沉积电压为20v直流电压，沉积时间为10min，沉积温度为25℃。

85、在一些优选实施方案中，所述抽真空的真空度为绝对压力≤1×10-3pa。

86、在一些优选实施方案中，抽真空保持时间为30min。在一些优选实施方案中，所述封装的方式为光纤激光焊接。

87、在一些优选实施方案中，所述工质为高纯度去离子水。

88、在一些优选实施方案中，所述高纯度去离子水的电阻率≥18.2mω·cm。

89、在一些优选实施方案中，所述工质的充注率为吸液芯饱和体积的90%。在一些优选实施方案中，步骤（2）中，多根所述单根石墨烯微型热管通过固定材料固定为蜂窝状阵列。

90、其中，在一些优选实施方案中，所述固定材料为纳米银导热胶。

91、其中，在一些优选实施方案中，所述固定方式为贴合。

92、在一些优选实施方案中，所述纳米银导热胶的导热系数为30w/m·k。

93、在一些优选实施方案中，步骤（3）中，所述隔热层通过如下方式制备：采用sio2湿凝胶制得纳米气凝胶薄膜，并在所述纳米气凝胶薄膜的一侧表面溅射铝红外反射层。

94、在一些优选实施方案中，所述sio2湿凝胶的原料组成为正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水和盐酸。

95、在一些优选实施方案中，所述正硅酸乙酯、所述无水乙醇、所述去离子水和所述盐酸的摩尔比为1:8:4:0.01。

96、在一些优选实施方案中，所述sio2湿凝胶在室温下水解2h。

97、在一些优选实施方案中，加入氨水调节所述sio2湿凝胶的ph至8.0-9.0。

98、在一些优选实施方案中，将所述sio2湿凝胶倒入厚度为2mm的平板模具中凝胶。

99、在一些优选实施方案中，老化条件为25℃下密封老化24h。

100、在一些优选实施方案中，干燥条件为co2超临界干燥。

101、在一些优选实施方案中，干燥温度为50℃。

102、在一些优选实施方案中，干燥压力为12mpa。

103、在一些优选实施方案中，干燥时间为4h。在一些优选实施方案中，所述铝红外反射层的溅射功率为100w。

104、在一些优选实施方案中，所述铝红外反射层的溅射气体流量为20sccm。

105、在一些优选实施方案中，所述铝红外反射层的溅射气体为氩气。

106、在一些优选实施方案中，所述铝红外反射层的溅射时间为10min。

107、在一些优选实施方案中，所述铝红外反射层的厚度为100nm。

108、在一些优选实施方案中，所述铝红外反射层的溅射功率为100w，溅射气体流量为20sccm，溅射时间为10min，厚度为100nm。

109、在一些优选实施方案中，步骤（3）中，所述配合凹槽形成于所述隔热层靠近所述导热层的一侧。优选地，所述配合凹槽的加工方式为紫外激光雕刻工艺。

110、在一些优选实施方案中，步骤（4）中，在所述嵌入凹槽内涂覆纳米银导热胶，以在所述缓冲层和所述导热层之间形成导热增强层。

111、其中，在一些更优选实施方案中，所述纳米银导热胶的厚度为5-8μm。

112、在一些优选实施方案中，步骤（4）中，在所述配合凹槽内设置压敏胶层。更优选地，所述压敏胶层的材料为丙烯酸压敏胶。

113、在一些优选实施方案中，所述压敏胶层的厚度为0.05-0.06mm；和/或，所述压敏胶层的导热系数≤0.2w/m·k，例如为0.1w/m·k。

114、在一些优选实施方案中，在所述导热层嵌入所述缓冲层和所述隔热层后，采用丁基胶条对所述隔热层的四周边缘进行密封固定。

115、其中，在一些更优选实施方案中，所述丁基胶条的导热系数≤0.3w/m·k例如为0.15w/m·k。

116、本发明还提供了一种如上所述的隔热材料作为隔热层在净水机中的应用。

117、本发明还提供了一种净水机，其包括如上所述的隔热材料；其中，所述隔热材料的缓冲层靠近所述净水机的热水箱；所述隔热材料的隔热层靠近所述净水机的冷水箱。

118、术语解释

119、本发明中，“石墨烯微型热管”是指外形尺寸为毫米级、包括石墨烯导热结构和内部腔体，并能够通过导热或工质相变传热实现热量传递的管状导热元件。

120、本发明中，“单根石墨烯微型热管”是指构成导热层的一个独立管状导热单元。

121、本发明中，“压敏胶层”是指设置于导热层和隔热层之间、通过压力即可实现贴合固定的胶粘层。

122、本发明的积极进步效果在于：

123、本发明提供的隔热材料可以在不额外多增加空间的前提下，做好冷、热、常温水箱的隔热/冷、保温效果。优选情况下，系统总厚度控制在8mm以内（缓冲层（3-5mm）+导热层（嵌入层间，1-2mm可忽略不计）+隔热层（2mm），总厚度约7mm），重量增加不超过200g，使常温水箱和冷水箱温升控制在1℃以内，同时回收热量可用于预热进水，提高能源利用效率15%-20%。该设计通过热能存储与释放的动态平衡，实现热量的智能管理，解决了热水箱热量扩散问题。