CN108531139A - 一种成型烧结碳为载体的定形相变材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对上述技术问题提出了一种成型烧结碳为载体的定形相变材料及其制备方法，解决现有的复合相变材料储能易流失、导热性低、封装性差、尺寸形状设计性差的问题，上述定形相变材料包括质量分数为85％‑95％的有机高分子相变材料和质量分数为5％‑15％的成型烧结碳，所述成型烧结碳通过表面相容性处理，所述相变材料分布于成型烧结碳的碳颗粒之间的间隙内，其制备方法包括制备成型烧结碳、表面相容性处理、相变材料加热熔化及加压渗透。

Description

一种成型烧结碳为载体的定形相变材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及相变储能材料技术领域，具体为一种成型烧结碳为载体的定形相变材料及其制备方法。
背景技术
相变材料具有广泛应用领域，虽然对相变储能技术的理论研究较短，但发展很迅速，成为在能源利用有极大价值的新材料。相变材料能够在相变过程中伴随着大的相变潜热，而且在这个过程中材料是恒温的，这使得能量的储存和温度的控制领域方便与有效。
在常用的相变材料中，有机高分子具有较高的相变潜热，相对无机水合盐的相变材料没有过冷及析出现象，性能稳定，无毒、无刺激性、无腐蚀性，价格便宜等优点。但是有机高分子材料的导热系数低，同时存在固－液相变过程易发生泄露。
定形相变材料并不是一种单一的物质，而是一种复合材料。在对固-液相变材料进行利用时，为了克服相变过程中产生的液相流动，通过制备复合材料或封装的方式进行处理，制得的一种宏观上的固固相变材料。近年来中国专利(专利号201610990460.2)提供了一种海泡石为载体的定形相变材料，但是该载体的导热系数低，热转换率低，为此专利(专利号201310168307.8)提供了一种多孔金属载体，但是该载体不易表面处理，对相变材料的使用也局限于一些低熔点金属或合金。多孔碳材料由于其良好的导热性和孔隙结构，也被广泛应用于相变载体材料，专利(201510975477.6)、专利(201210462152.4)和专利(201310039705.X)分别提供了膨胀石墨、活性炭和碳纳米管作为载体，但是这些多孔碳复合定形材料工艺流程复杂，成本高、尺寸设计性差。
而本发明的成型烧结碳与上述碳材料相比，其孔隙结构既包括碳颗粒本身的孔隙也包括碳颗粒之间的孔隙，因此具备更大的比表面积和孔容，吸附性能更好，而且烧结碳先成型再烧结，可以得到所需形状和尺寸的成型烧结碳，与用户的换热装置在形状上完全贴合，最大程度地减小了换热阻力。本发明通过压力渗透法将液态的相变材料完全渗透到成型烧结空隙中，具有高储能密度、高能量转换效率，在相变储能领域具有广泛应用前景。
发明内容
本发明针对上述技术问题提出了一种成型烧结碳为载体的定形相变材料，解决现有的复合相变材料储能易流失、导热性低、封装性差的问题。
上述相变材料的技术方案在于：包括质量分数为85％-95％的有机高分子相变材料和质量分数为5％-15％的成型烧结碳，所述成型烧结碳通过表面相容性处理，所述相变材料分布于成型烧结碳的碳颗粒之间的间隙内。
所述成型烧结碳由碳颗粒成型烧结，所述有机高分子相变材料为石蜡、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种的混合物。
上述相变材料的制备方法如下：
A、将碳颗粒成型烧结，制备成型烧结碳；
B、对成型烧结碳进行表面相容性处理；
C、将有机高分子相变材料加热熔化，使其温度达到80℃～90℃；
D、将上述成型烧结碳加入到熔融的有机高分子相变材料中，对上述熔化后的相变材料加压1-5MPa，使其渗透进入成型烧结碳碳颗粒之间的间隙内，制备获得成型烧结碳复合定形相变材料。
在上述步骤A中，采用椰壳制粉末活性炭颗粒与高密度聚乙烯(HDPE)按质量比3:1或5:1混合，搅拌均匀并装入成型模具，在温度120-170℃，压力10-20MPa下加压30min，制备形成成型烧结碳。
在上述步骤B中，所述表面相容性处理采用偶联处理，其步骤为：先采用95％d的乙醇和5％的水配置成醇-水溶液，加入醋酸使pH值为4.5-5.5，在搅拌的同时加入硅烷偶联剂KH550，使浓度达到2％；待水解5min后，加入步骤A中制备的成型烧结碳，配置浓度为20g/L的固液悬浊液；加热至45℃，1小时后对其过滤、低温并烘干，得到成型烧结碳。
通过对上述方法制备的定形相变材料进行差式扫描量热法(DSC)分析可知，制备出来的相变材料表现出良好的相变储能特性；通过对储热性能分析可知，本发明的相变材料具有较高的的蓄热、放热速度。
结果表明本发明以成型烧结碳作为支撑载体，以有机石蜡、聚乙二醇等有机材料为相变材料开发了一种新型高效的复合定形相变材料。烧结碳具有发达的孔隙结构、高的表面能、优异的导热性能，提高了有机复合相变材料的综合性能。
烧结碳发达的孔隙结构，丰富的化学表面保证对其内部及表面相变材料的封装和定形，降低了相变材料的封装要求；其次其优异的导热性能使热传导与转化的效率更高。
本发明制备的复合定形相变材料与现有的技术相比，具有以下优点：
1、相比于现有技术中采用纳米多孔碳(例如申请号为201310039705.X的现有技术所公开的技术方案)，本发明中采用成型烧结碳的区别在于，成型烧结碳是采用碳颗粒烧结而成，利用碳颗粒之间的间隙贮存有机高分子相变材料，其制造成本低，适用性更强。
2、成型烧结碳可以实现相变材料的封装、定形和成型，其多孔的吸附性能以及表面化学性质的作用能够减小有机相变材料在相变储能时流失现象，降低相变材料的封装要求，并且通过定制特定形状的成型烧结碳结，能够实现与换热装置无缝贴合；
3、成型烧结碳材料具有良好的导热性，使相变材料的导热能力得到充分提高，提高相变材料的能量的转换效率；
4、可选相变温度范围宽，对烧结碳的表面处理的多种方式可以选取不同的有机聚合物相变材料，可以实现在90℃～270℃的宽温域变化，因而可根据实际工况的需要选择高分子材料的种类和配比，使相变材料的相变温度与工况所需的工作温度相匹配。
5、制备烧结碳的原料来源丰富，制备工艺简单，采用将碳颗粒烧结形成烧结碳的方式，既能够根据不同换热设备的实际形状需求定制特定结构的成型烧结碳，而且通过选择不同粒径的碳颗粒制备出间隙大小不同的成型烧结碳，能够实现对间隙大小的宏观调控，更好满足市场需求。
6、综上可以看出，本发明在中低温相变储能领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述定形相变材料的表面改性原理图，其中1为成型烧结碳，2为有机高分子相变材料。
图2为成型烧结碳的颗粒表面与相变材料表面的偶联原理图。
图3为本发明实施例一和实施例二石蜡DSC数据图，其中实施例一的数据为虚线，实施例二的数据为实线。
图4为本发明实施例三和实施例四聚乙二醇的DSC数据图，其中实施例三的数据为虚线，实施例四的数据为实线。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的实施例，本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。
以下详细描述本发明所述的相变材料的制备方法，在制备方法中涵盖本发明所述定形相变材料的组成。
实施例一
步骤一：成型烧结碳的制备
将椰壳制粉末活性炭颗粒与高密度聚乙烯(HDPE)按质量比5:1混合，搅拌均匀后装入成型模具，温度150℃，压力10～15MPa下加压30min制成所需形状的成型烧结碳。
步骤二：成型烧结碳的表面相容性处理
先将95％的乙醇及5％的水配成醇－水溶液，加入醋酸使pH为4.5-5.5，搅拌下加入硅烷偶联剂KH570使浓度达2％，水解5min后，再将步骤一得到的烧结碳材料加入其中，配置成20g/L的固-液悬浮液，在加热至45℃，处理1小时，处理完毕过滤、低温烘干。
步骤三：成型烧结碳复合定形相变材料的制备
将步骤二中的成型烧结碳放入加热熔融的石蜡相变材料，加3～5MPa压力让相变材料向成型烧结碳内渗透1～2h，从而制备出成型烧结碳复合定形相变材料。
使用美国PE公司的Pyris Diamond差式扫描量热仪测得该工艺下成型碳烧结复合定形相变材料的熔融曲线峰值温度为66℃，相变潜热为154.4J/g，温度巡检仪测定储热/放热(从25℃升到66℃)时间分别为1300S和800S。说明该相变材料具有较高储能密度和能量转换效率。
实施例2
步骤一：成型烧结碳的制备
将椰壳制粉末活性炭颗粒与高密度聚乙烯(HDPE)按质量比3:1混合，搅拌均匀后装入成型模具，温度150℃，压力10～15MPa,下压30min制成所需的形状。
步骤二：成型烧结碳的表面相容性处理
先将95％的乙醇及5％的水配成醇－水溶液，加入醋酸使pH为4.5-5.5，搅拌下加入硅烷偶联剂KH570使浓度达2％，水解5min后，再将步骤一得到的烧结碳材料加入其中，配置成20g/L的固-液悬浮液，在加热至45℃，处理1小时，处理完毕过滤、低温烘干。
步骤三：成型烧结碳复合定形相变材料的制备
将步骤二中的成型烧结碳放入加热熔融石蜡相变材料，加1～2MPa压力让相变材料向成型烧结碳内渗透1～2h，从而制备出成型烧结碳复合定形相变材料。
使用美国PE公司的Pyris Diamond差式扫描量热仪测得该工艺下成型碳烧结复合定形相变材料的熔融曲线峰值温度为65℃，相变潜热为147.4J/g，温度巡检仪测定储热/放热(从25℃升到66℃)时间分别为1160S和740S。说明该相变材料具有较高储能密度和能量转换效率。
实施例3
步骤一：成型烧结碳的制备
将椰壳制粉末活性炭颗粒与高密度聚乙烯(HDPE)按质量比5:1混合，搅拌均匀后装入成型模具，温度150℃，压力10～15MPa下压30min制成所需形状的成型烧结碳。
步骤二：成型烧结碳的表面相容性处理
先将95％的乙醇及5％的水配成醇－水溶液，加入醋酸使pH为4.5-5.5，搅拌下加入硅烷偶联剂KH550使浓度达2％，水解5min后，再将步骤一得到的烧结碳材料加入其中，配置成20g/L的固-液悬浮液，在加热至45℃，处理1小时，处理完毕过滤、低温烘干。
步骤三：成型烧结碳复合定形相变材料的制备
将步骤二中的成型烧结碳放入加热熔融的聚乙二醇相变材料，加1～2MPa压力让相变材料向成型烧结碳内渗透1～2h，从而制备出成型烧结碳复合定形相变材料。
使用美国PE公司的Pyris Diamond差式扫描量热仪测得该工艺下成型碳烧结复合定形相变材料的熔融曲线峰值温度为67℃，相变潜热为135.4J/g，温度巡检仪测定储热/放热(从25℃升到66℃)时间分别为1450S和850S。说明该相变材料具有较高储能密度和能量转换效率。
实施例4
步骤一：成型烧结碳的制备
椰壳制粉末活性炭颗粒与高密度聚乙烯(HDPE)按质量比3:1，搅拌均匀后装入成型模具，温度150℃，压力10～15MPa，下压30min制成所需形状的成型烧结碳。
步骤二：成型烧结碳的表面相容性处理
先将95％的乙醇及5％的水配成醇－水溶液，加入醋酸使pH为4.5-5.5，搅拌下加入硅烷偶联剂KH550使浓度达2％，水解5min后，再将步骤一得到的烧结碳材料加入其中，配置成20g/L的固-液悬浮液，在加热至45℃，处理1小时，处理完毕过滤、低温烘干。
步骤三：成型烧结碳复合定形相变材料的制备
将步骤二中的成型烧结碳放入加热熔融的聚乙二醇相变材料，加1～2MPa压力让相变材料向成型烧结碳内渗透1～2h，从而制备出成型烧结碳复合定形相变材料。
使用美国PE公司的Pyris Diamond差式扫描量热仪测得该工艺下成型碳烧结复合定形相变材料的熔融曲线峰值温度为65℃，相变潜热为123.4J/g，温度巡检仪测定储热/放热(从25℃升到66℃)时间分别为1253S和800S。说明该相变材料具有较高储能密度和能量转换效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种成型烧结碳为载体的定形相变材料，其特征在于：包括质量分数为85％-95％的有机高分子相变材料和质量分数为5％-15％的成型烧结碳，所述成型烧结碳通过表面相容性处理，所述相变材料分布于成型烧结碳的碳颗粒之间的间隙内。
2.根据权利要求1所述的定形相变材料，其特征在于：所述成型烧结碳由碳颗粒成型烧结。
3.根据权利要求2所述的定形相变材料，其特征在于：所述有机高分子相变材料为石蜡、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种的混合物。
4.权利要求3所述定形相变材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将碳颗粒成型烧结，制备成型烧结碳；
B、对成型烧结碳进行表面相容性处理；
C、将有机高分子相变材料加热熔化；
D、将上述成型烧结碳加入到熔融的有机高分子相变材料中，对上述熔化后的相变材料加压1-5MPa，使其渗透进入成型烧结碳碳颗粒之间的间隙内，制备获得成型烧结碳复合定形相变材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤A中，采用椰壳制粉末活性炭颗粒与高密度聚乙烯按质量比3:1或5:1混合，搅拌均匀并装入成型模具，在温度120-170℃，压力10-20MPa下加压30min，制备形成成型烧结碳。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述表面相容性处理采用偶联处理，其步骤为：先采用95％的乙醇和5％的水配置成醇-水溶液，加入醋酸使pH值为4.5-5.5，在搅拌的同时加入硅烷偶联剂KH550，使浓度达到2％；待水解5min后，加入步骤A中制备的成型烧结碳，配置浓度为20g/L的固液悬浊液；加热至45℃，1小时后对其过滤、低温并烘干，得到成型烧结碳。
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Denomination of invention: A shape stabilized phase change material with shaped sintered carbon as carrier and its preparation method

Effective date of registration: 20201215

Granted publication date: 20200703

Pledgee: China Minsheng Banking Corp Wuhan branch

Pledgor: WUHAN BLOOMING LOW CARBON INDUSTRY Co.,Ltd.

Registration number: Y2020420000085

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