CN102977858A

CN102977858A - 一种相变储能材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102977858A
Application number: CN201110264111XA
Authority: CN
Inventors: 孙立贤; 孟新; 张焕芝; 赵梓名; 徐芬
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明为一种相变储能材料及其制备方法，相变储能复合材料采用膨胀石墨为载体，吸附不同配比的有机脂肪酸，再将制备好的材料外包覆一层复合涂饰剂。将有机脂肪酸吸附到膨胀石墨载体中提高了有机酸作为相变材料的导热性能，并且抑制了其在储热技术中应用时的液态泄漏问题，复合涂饰剂更是起到了加强定型的作用。

Description

一种相变储能材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合储能相变材料领域，具体涉及一种混酸/膨胀石墨的复合定型储能相变材料及其制备方法。

背景技术

相变材料是利用物质发生相变时需要吸收(或放出)大量热量的性质来贮热的，具有贮热密度高、设备体积小、热效率高以及吸放热为恒温过程等优点。它在太阳能利用、建筑节能、热能回收、航空航天等领域都有广泛的应用前景。

储热技术主要包括显热储热、潜热储热和化学反应储热。其中，利用相变材料的固-液相变潜热的储热方式，因具有储热密度大、相变过程近似等温、过程易控制等优点，而成为储热技术的研究重点。相变材料包括无机物和有机物两类。相对于无机相变材料，有机相变材料具有腐蚀性小、化学性能稳定、在相变过程中几乎没有相分离，价格便宜等优点。但有机相变材料导热率低，固-液相变中出现液体渗漏等问题，制约了有机相变材料的应用。为提高有机物的导热性能并抑制了其在储热技术中应用时的液态流动问题，目前主要是在有机物中添加膨胀石墨的方法。Ahmet Sari(Ahmet Sari.Form-stable paraffin/high densitypolyethylene composites as solid-liquid phase change material for thermalenergy storage preparation and thermal properties[J].Energy Conversionand Management，2004，45：2033-2042.)用两种不同熔点的石蜡与高密度聚乙烯制成了定形相变材料，研究了石蜡在相变复合材料中的最大质量百分数，并且在复合材料中加入了膨胀石墨以提高其导热系数。Xavier Py等(Xavier Py，Regis Olive，Sylvain Mauran.Paraffin/porous-graphite-matrix compositeas a high and constant power thermal storage material[J].InternationalJournal of Heat and Mass Transfer，2001，44：2727-2737.)研究了石蜡/多孔石墨基相变材料中石蜡的质量百分数范围，发现石蜡/石墨复合相变材料的热导率与单独的石墨基体的热导率相同。张正国等(张正国，王学泽，方晓明.石蜡/膨胀石墨复合相变材料的结构与热性能[J].华南理工大学学报，2006，34(3)：125.)研究以石蜡为相变材料、膨胀石墨为支撑结构，利用膨胀石墨的多孔吸附特性，制备出四种不同质量分数的石蜡/膨胀石墨复合材料，发现当石蜡占80％时，其储热时间比单一石蜡减少69.7％，放热时间减少了80.2％，极大地提高了能效比。

与其他PCM相比，脂酸类有机物具有相变潜热较高、相变过程中体积变化小、与建筑材料较好融合、价格低廉等优势，本发明利用膨胀石墨具有很好的吸附性能和导热性能的特点，将液态有机酸吸附在膨胀石墨的微孔结构内，并进行定型包覆，制备出导热良好的有机混酸/膨胀石墨复合定型相变储热材料，并对其结构和性能进行实验研究。在毛细作用力和表面张力的作用下，液态有机混酸很难从石墨的微孔结构内渗透出来，再加上复合涂饰剂的包覆过程，从而很好地抑制了有机混酸在储热技术中应用时的液态流动问题，同时，石墨具有较高的导热系数，有助于提高了相变材料的导热性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种导热性能好、性状稳定的储能复合定型相变材料及其制备方法。

一种相变储能材料，它是多元有机混酸/膨胀石墨复合材料，采用膨胀石墨为基体材料，在浸渗有机混酸构成。其中多元有机混酸由两种或三种以上不同熔点的有机脂肪酸混合而成，其中任意一种有机脂肪酸于混酸中的质量含量为20-80％，所有有机脂肪酸的质量之和为100％；膨胀石墨于相变储能材料中的质量分数为4-10wt％。

其中膨胀石墨是由可膨胀石墨经过微波炉膨化而成，有机混酸是癸酸、月桂酸、硬脂酸、豆蔻酸、棕榈酸等中的两种或三种以上按照不同比例共晶混合而成。

所述复合材料外包覆有复合涂饰剂，所述复合涂饰剂为功能性纳米SiO₂改性丙烯酸树脂复合涂饰剂。所述复合涂饰剂可为：水性聚氨酯皮革涂饰树脂，广州伯恩利化工有限公司；超软丙烯酸树脂，广州昊纬化工科技有限公司；改性丙烯酸树脂，武汉大洋化工有限公司；改性丙烯酸树脂，湖北金源实业有限公司。

所述相变储能材料的制备：

1)取可膨胀石墨粉用微波法制备膨胀石墨；

参照文献：[1]张东，田胜力，肖德炎.微波法制备纳米多孔石墨[J].非金属矿，2004，27(6)：22-24.

[2]赖奇，李玉峰，王章勇，刘国钦.微波法制备膨胀石墨的研究[J].化工装备技术，2008，29(1)：75-76.

2)将两种或三种以上不同熔点的有机脂肪酸按照比例共晶混合，制备有机混酸；

3)采用浸渍、加热及超声处理，将所制备的有机混酸吸附到膨胀石墨的空隙中，得到复合相变材料。

4)采用浸渍及超声处理，将所制备的复合材料外包覆一层复合涂饰剂，干燥后得到多元有机混酸/膨胀石墨复合定型相变储能材料，所述复合涂饰剂为功能性纳米SiO₂改性丙烯酸树脂复合涂饰剂(科锐新材料研究所生产)。

具体过程过程如下：

1)膨胀石墨的制备：

取3-4g可膨胀石墨于50-80℃干燥箱中干燥，然后取可膨胀石墨于蒸发皿中，将蒸发皿置于微波炉中，将微波炉的功率调到600-800W，10-40s后可得到蠕虫状的膨胀石墨。

2)有机混酸的制备：在50-90℃温度和500-1000r/min搅拌转速条件下，配制有机混酸体系，搅拌时间为1-2h；

3)复合相变储能材料的制备：

将制备的有机混酸加入到装有膨胀石墨的容器中，膨胀石墨的质量分数为4-10wt％，在高出有机混酸熔融温度20-40℃的干燥箱中加热1-2h，取出后在超声波下分散10-15min，制得吸附均匀的复合相变储热材料。

4)相变材料的定型：取过量的配置好的，放到烧杯中，将制备的复合相变储能材料浸泡于复合涂饰剂中，在超声波下分散5-10min，过滤，把浸泡过复合涂饰剂的相变材料放入30-60℃的烘箱中加热烘干，得到多元有机混酸/膨胀石墨复合定型相变材料。

本发明具有如下优点：

本发明相变储能复合材料采用膨胀石墨为载体，吸附不同配比的有机脂肪酸，再将制备好的材料外包覆一层复合涂饰剂。将有机脂肪酸吸附到膨胀石墨载体中提高了有机酸作为相变材料的导热性能，并且抑制了其在储热技术中应用时的液态泄漏问题，复合涂饰剂更是起到了加强定型的作用。

与现存的相变储能复合材料相比，有机混酸/膨胀石墨复合相变储能材料具有导热率高、储能量大和形态固定等优点，可以有效促进相变储能复合材料在诸多领域的应用。

附图说明

图1为实施案例1有机混酸相变材料、聚合物包覆后的混酸/膨胀石墨复合相变材料的DSC曲线图。

图2为实施案例2有机混酸相变材料、聚合物包覆后的混酸/膨胀石墨复合相变材料的DSC曲线图。

图3为膨胀石墨(图3(a))、脂肪酸/膨胀石墨复合相变材料(图3(b))、脂肪酸/膨胀石墨复合定型相变材料的SEM照片(图3(c))。

具体实施方式

通过以下实例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

实施例1

1)取3-4g可膨胀石墨于60℃干燥箱中干燥，然后每次取适量可膨胀石墨于蒸发皿中，将容器置于微波炉中，将微波炉的功率调到700W，30s后可得到蠕虫状的膨胀石墨。

2)在80℃的水浴，500r/min的转速条件下，配制癸酸-月桂酸-棕榈酸三元共晶混酸体系，其中癸酸∶月桂酸∶棕榈酸＝3∶5∶2(质量比)，搅拌1.5h，使得共晶混合物混合均匀，备用。

3)将制备的癸酸-月桂酸-棕榈酸三元共晶混酸加入装有膨胀石墨的烧杯中，其中癸酸-月桂酸-棕榈酸∶膨胀石墨＝90∶10(质量比)，在85℃的干燥箱中加热2h，取出后在超声波清洗仪下分散10-15min，制得吸附均匀的复合相变储热材料。

4)相变材料的定型：

取过量的配制好的复合涂饰剂，放到烧杯中，将制备的复合相变储能材料添加到烧杯中，在超声波下分散5min，然后将过量的复合涂饰剂过滤，把浸泡过复合涂饰剂的相变材料放入40℃的烘箱中加热烘干，得到多元有机混酸/膨胀石墨复合定型相变材料。

5)经测试，该复合相变储热材料的相变温度为19.6℃，相变潜热为145.5kJ/kg，导热系数为0.723W m^-1K^-1，定型后复合材料的相变温度为18.6℃，相变潜热为92.4kJ/kg，在热循环的过程中没有混酸的液体外漏，有很好的定型效果。如图1所示。

实施例2

2)在80℃的水浴，500r/min的转速条件下，配制癸酸-月桂酸-棕榈酸三元共晶混酸体系，其中癸酸∶月桂酸∶棕榈酸＝5∶3∶2(质量比)，搅拌1.5h，使得共晶混合物混合均匀，备用。

3)将制备的癸酸-月桂酸-棕榈酸三元共晶混酸加入装有膨胀石墨的烧杯中，其中癸酸-月桂酸-棕榈酸∶膨胀石墨＝94∶6(质量比)，在80℃的干燥箱中加热2h，取出后在超声波清洗仪下分散10-15min，制得吸附均匀的复合相变储热材料。

4)相变材料的定型：

5)经测试，该复合相变储热材料的相变温度为16.8℃，相变潜热为140.5kJ/kg，定型后复合材料的相变温度为18.4℃，相变潜热为95.4kJ/kg，导热系数为0.738W/(m·k)，在热循环的过程中没有混酸的液体外漏，有很好的定型效果。如图2所示。

本发明为一种有机混酸/膨胀石墨复合相变储能材料。由于膨胀石墨具有很高的导热系数和吸附性能，可以有效克服目前相变储能复合材料普遍存在的导热性能差和液体泄漏等问题。

Claims

1.一种相变储能材料，其特征在于：它是多元有机混酸/膨胀石墨复合材料，其中多元有机混酸由两种或三种以上不同熔点的有机脂肪酸混合而成，其中任意一种有机脂肪酸于混酸中的质量含量为20-80％，所有有机脂肪酸的质量之和为100％；

膨胀石墨于相变储能材料中的质量分数为4-10wt％。

2.根据权利要求1所述的相变储能材料，其特征在于：

所述有机脂肪酸为癸酸、月桂酸、硬脂酸、豆蔻酸、棕榈酸中的两种或三种以上按照比例共晶混合而成。

3.根据权利要求1所述的相变储能材料，其特征在于：所述复合材料外包覆有复合涂饰剂，所述复合涂饰剂为功能性纳米SiO₂改性丙烯酸树脂复合涂饰剂。

4.一种权利要求1所述相变储能材料的制备方法，其特征在于：

1)取可膨胀石墨粉用微波法制备膨胀石墨；

5.按照权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

采用浸渍及超声处理，将所制备的复合材料外包覆一层复合涂饰剂，干燥后得到多元有机混酸/膨胀石墨复合定型相变储能材料，所述复合涂饰剂为功能性纳米SiO₂改性丙烯酸树脂复合涂饰剂(科锐新材料研究所生产)。

6.按照权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

具体过程过程如下：

1)膨胀石墨的制备：

2)有机混酸的制备：

在50-90℃温度和500-1000r/min搅拌转速条件下，配制有机混酸体系，搅拌时间为1-2h；

3)复合相变储能材料的制备：

7.按照权利要求4或6所述的制备方法，其特征在于：

4)相变材料的定型：

取过量的配置好的，放到烧杯中，将制备的复合相变储能材料浸泡于复合涂饰剂中，在超声波下分散5-10min，过滤，把浸泡过复合涂饰剂的相变材料放入30-60℃的烘箱中加热烘干，得到多元有机混酸/膨胀石墨复合定型相变材料。