CN103897667A - 一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料及制备方法，以不同微观结构高岭土和石蜡为原料，将高岭土通过微波酸处理，对其表面进行活化，进而复合石蜡即得所述储热材料。材料储热容量在84～107J·g^-1，导热系数在0.65～0.78W·m^-1·K^-1范围内可调。本发明组分配比合理、加工工艺简单、可有效提高相变材料与支撑基体之间的结合力；有效宽域其储热性能，制备的储热材料热循环性能优良，满足循环使用、更多领域使用的要求，扩大了高岭土基储热材料的应用领域；利用矿物成矿条件差异形成的不同结构高岭土，制备的太阳能储热材料的储热容量、导热系数可调，适于大规模工业化生产。

Description

一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料及制备方法

技术领域

本发明公开了一种太阳能储热材料及制备方法；特别是指一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料及制备方法；属于储热材料制备技术领域。

背景技术

太阳能作为可再生能源，其高效利用得到了世界各国的广泛关注。实现太阳能的可持续利用是太阳能高效利用的关键，太阳能利用分为光伏和光热。由于光伏前端产业存在高能耗、重污染等环保问题，导致其产业遇冷。因此，光热的环保优势开始显现，目前已在家用热水器、建筑节能、热发电等领域得到了广泛的应用。太阳光热技术的核心是其储热系统，储热系统可实现太阳能的可持续利用，将白天多余的热量储存以备其他时间段使用，而储热系统依靠太阳储热材料实现其储热功能，保证太阳能供应的稳定性和连续性。

石蜡作为相变材料具有高储热密度（150～270J·g^-1）、相变温度宽泛、价格低廉等优势，可以应用于太阳能储热材料。但是，由于其熔化时流动易产生泄漏以及低的导热系数（0.2W·m^-1·K^-1）限制其广泛应用。因此，必须采用支撑基体对其状态进行限定并同时提高其导热系数，最终制备定型相变材料以扩大其应用领域。天然矿物因其多孔道结构、适合的导热系数以及天然的热稳定等特性，被用作支撑基体对相变材料定型并同时提供其导热系数，这类复合材料被称为矿物基储热材料。现有制备矿物基储热材料的方法是先对矿物进行有机改性处理，然后再复合有机相变材料，其优点是支撑基体的装载相变材料的量会增加，但是经过多次热循环后，有机改性剂与有机相变材料相互作用导致支撑基体与相变材料之间结合力减弱，从而降低性能。因此，必须避免采用有机改性剂，并通过对矿物进行更有效的处理，使其表面产生更多的活性点并增强与相变材料的结合力。

矿物因其成矿的条件不同，同一矿物会呈现出不同的微观结构。材料的结构决定材料的性能，因此利用同一矿物的不同结构，制备矿物基多结构太阳能储热材料，并宽域材料性能，进一步扩大矿物基储热材料的使用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理、加工工艺简单、可有效提高相变材料与支撑基体之间的结合力的以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料及制备方法。

本发明一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料，所述储热材料由石蜡与高岭土按质量比1-3:1组成。

本发明一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料，所述高岭土为酸浸、微波加热进行表面活化处理后的高岭土。

本发明一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料，高岭土的微观结构为片状、层片状或棒状中的一种。

本发明一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：高岭土表面活化处理：

取高岭土与盐酸混合均匀后，置于微波炉中，在80-110℃加热保温2-5min后；出炉，用去离子水清洗、过滤至洗液中经AgNO₃溶液检测，Cl^-不存在，然后，置于烘箱中，于100-110℃干燥，得到活化高岭土，备用；

第二步：太阳能储热材料制备：

按质量比1-3:1称取石蜡和第一步所得活化高岭土，盛入同一容器中，抽真空至-0.1MPa保持8-15min后，将容器置于85～95℃水浴中，维持容器内真空在-0.1MPa，水浴保温15-30min；停止抽真空，并使空气进入容器中，同时，将容器置于75～85℃水浴中超声震荡3-10分钟后，将容器置于自然环境下冷却至室温后，取出容器中的混合物，于80～90℃保温4-8小时烘干，得到以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料。

本发明一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料的制备方法，第一步中，盐酸与高岭土按液固比1-3:1混合，盐酸的质量百分浓度为6-10%。

本发明一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料的制备方法，第一步中，高岭土与盐酸混合后的质量为200-300克，微波炉功率为300-700W，微波处理3-10min。

本发明一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料的制备方法，第一步中，高岭土的微观结构为片状、层片状或棒状中的一种。

本发明由于采用上述技术方案，以不同微观结构、表面经过活化处理的高岭土为原料与石蜡混合，制备出以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料。本发明中在酸性条件下通过微波活化处理高岭土，盐酸在微波能的激发下，可以短时间内均匀活化高岭土表面，使其具有更多的活性点。表面活性越高，与石蜡更易形成氢键，从而高岭土与石蜡之间的结合力更强，可以防止石蜡经多次热循环后从高岭土中泄露出来，使材料具有更好的热循环性能；利用矿物成矿条件差异形成的不同结构高岭土，复合石蜡后，可以制备出不同储热性能的太阳能储热材料，有效宽域其储热性能，满足循环使用、更多领域使用的要求，扩大了高岭土基储热材料的应用领域；制备的太阳能储热材料的储热容量为84～107J·g^-1，导热系数在0.65～0.78W·m^-1·K^-1范围内可调。

综上所述，本发明组分配比合理、加工工艺简单、可有效提高相变材料与支撑基体之间的结合力；有效宽域其储热性能，满足循环使用、更多领域使用的要求，扩大了高岭土基储热材料的应用领域；利用矿物成矿条件差异形成的不同结构高岭土，制备的太阳能储热材料的储热容量、导热系数可调，适于大规模工业化生产。

具体实施方式

下面的实施例仅为了进一步说明本发明，而不是限制本发明。本发明可以按发明内容所述的任一种方式实施。

本发明实施及对比例中各参数测量方法是：

1、采用TA instruments DSC Q10测试材料的储热容量；

2、采用TPS2500Hot Disk Thermal Constant Analyser测试材料的导热系数。

实施例1：

将150g质量浓度为8%的盐酸加入100g片状高岭土中，搅拌混合后，置于微波炉中，在700W功率下微波处理5min。采用去离子水清洗、过滤数次，直至AgNO₃溶液检测无Cl^-存在。将微波酸处理后的样品置于烘箱中105℃干燥后备用；称取6.0g石蜡和4.0g高岭土先后倒入配置有抽真空系统的锥形瓶中，打开抽真空装置，抽真空至-0.1MPa保持10min。然后将锥形瓶置于85℃恒温水浴锅中20min。之后，停止抽真空，使空气返回至锥形瓶中，并将其放入80℃水浴中超声5min。待冷却后，将样品取出，置于80℃烘箱中，热过滤5h，最后得到片状结构的太阳能储热材料。

本实施例制备的片状结构的太阳能储热材料性能参数如下：

储热容量为107J·g^-1，经过100次热循环，储热容量的变化值为-0.24%，说明其热循环性能优良；

导热系数为0.67W·m^-1·K^-1。

实施例2：

将150g质量浓度为8%的盐酸加入100g层状高岭土中，搅拌混合后，置于微波炉中，在700W功率下微波处理5min。采用去离子水清洗、过滤数次，直至AgNO₃溶液检测无Cl^-存在。将微波酸处理后的样品置于烘箱中105℃干燥后备用；称取6.0g石蜡和4.0g高岭土先后倒入配置有抽真空系统的锥形瓶中，打开抽真空装置，抽真空至-0.1MPa保持10min。然后将锥形瓶置于95℃恒温水浴锅中20min。之后，停止抽真空，使空气返回至锥形瓶中，并将其放入75℃水浴中超声5min。待冷却后，将样品取出，置于85℃烘箱中，热过滤5h，最后得到层状结构的太阳能储热材料。

本实施例制备的层状结构的太阳能储热材料性能参数如下：

储热容量为95J·g^-1，经过100次热循环，储热容量的变化值为-0.17%，说明其热循环性能优良；

导热系数为0.78W·m^-1·K^-1。

实施例3：

将150g质量浓度为8%的盐酸加入100g棒状高岭土中，搅拌混合后，置于微波炉中，在700W功率下微波处理5min。采用去离子水清洗、过滤数次，直至AgNO₃溶液检测无Cl^-存在。将微波酸处理后的样品置于烘箱中105℃干燥后备用；称取6.0g石蜡和4.0g高岭土先后倒入配置有抽真空系统的锥形瓶中，打开抽真空装置，抽真空至-0.1MPa保持10min。然后将锥形瓶置于90℃恒温水浴锅中20min。之后，停止抽真空，使空气返回至锥形瓶中，并将其放入85℃水浴中超声5min。待冷却后，将样品取出，置于90℃烘箱中，热过滤5h，最后得到棒状结构的太阳能储热材料。

本实施例制备的棒状结构的太阳能储热材料性能参数如下：

储热容量为84J·g^-1，经过100次热循环，储热容量的变化值为-0.19%，说明其热循环性能优良；

导热系数为0.65W·m^-1·K^-1。

对比例

称取6.0g石蜡和4.0g未处理的棒状高岭土先后倒入配置有抽真空系统的锥形瓶中，打开抽真空装置，抽真空至-0.1MPa保持10min。然后将锥形瓶置于90℃恒温水浴锅中20min。之后，停止抽真空，使空气返回至锥形瓶中，并将其放入85℃水浴中超声5min。待冷却后，将样品取出，置于90℃烘箱中，热过滤5h，最后得到棒状结构的太阳能储热材料。

本对比例制备的棒状结构的太阳能储热材料性能参数如下：

储热容量为49J·g^-1，经过100次热循环，储热容量的变化值为-2.30%；

导热系数为0.66W·m^-1·K^-1。

从实施例1-3及对比例得到的太阳能储热材料的性能参数可知：本发明制备的太阳能储热材料的储热容量为84～107J·g^-1，导热系数在0.65～0.78W·m^-1·K^-1范围内可调；热循环性能较现有技术制备的储热材料至少提高10倍，具有优良的热循环性能。

Claims (7)

1.一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料，所述储热材料由石蜡与高岭土按质量比1-3:1组成。

2.根据权利要求1所述的一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料，其特征在于：所述高岭土为酸浸、微波加热进行表面活化处理后的高岭土。

3.根据权利要求1或2所述的一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料，其特征在于：高岭土的微观结构为片状、层片状或棒状中的一种。

4.一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：高岭土表面活化处理：

取高岭土与盐酸混合均匀后，置于微波炉中，在80-110℃加热保温2-5min后；出炉，用去离子水清洗、过滤至洗液中经AgNO₃溶液检测，Cl^-不存在，然后，置于烘箱中，于100-110℃干燥，得到活化高岭土，备用；

第二步：太阳能储热材料制备：

按质量比1-3:1称取石蜡和第一步所得活化高岭土，盛入同一容器中，抽真空至-0.1MPa保持8-15min后，将容器置于85～95℃水浴中，维持容器内真空在-0.1MPa，水浴保温15-30min；停止抽真空，并使空气进入容器中，同时，将容器置于75～85℃水浴中超声震荡3-10分钟后，将容器置于自然环境下冷却至室温后，取出容器中的混合物，于80～90℃保温4-8小时烘干，得到以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料。

5.根据权利要求4所述的一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料的制备方法，其特征在于：第一步中，盐酸与高岭土按液固比1-3:1混合，盐酸的质量百分浓度为6-10%。

6.根据权利要求4或5所述的一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料的制备方法，其特征在于：第一步中，高岭土与盐酸混合后的质量为200-300克，微波炉功率为300-700W，微波处理3-10min。

7.根据权利要求6所述的一种以高岭土为支撑基体的太阳能储热材料的制备方法，其特征在于：第一步中，高岭土的微观结构为片状、层片状或棒状中的一种。