CN108559454A - 一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料及制备方法，所设计的储热材料组成成分为30‑90wt%相变材料和10%‑70wt%木耳炭基体材料。本发明依次采用低温水热碳化法、KOH高温活化法处理木耳得到木耳炭基体材料，装载硬脂酸相变材料后制得复合相变储热材料。所述储热材料中硬脂酸的最大装载量可达77.51%，潜热值为144.8J g‑1。本发明所述储热材料各组分稳定、复合效果佳、储热性能优良，制备过程操作工艺简单。

Description

一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料及制备方法
技术领域
本发明属于储热材料制备技术领域，涉及一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料及制备方法。
背景技术
化石能源的短缺、日益加重的环境问题使人类意识到寻找绿色可再生资源，发展可再生能源应用，成为了当今需要迫切解决的问题。太阳能作为储量最丰富、使用最长久、分布最广泛且无污染的可再生能源已成为世界范围内主要利用对象。但是，由于季节、天气等因素，太阳能资源存在明显的间歇性，因此，太阳能储热技术显得尤为重要。
硬脂酸有机相变材料作为一种的新兴节能储能材料，能够在相变的过程中储存与释放大量潜热，不仅储能密度高(170J g-1)、而且化学性质稳定、无毒不腐蚀，原料易得，因而广泛应用于太阳能储热技术领域。然而，硬脂酸作为一种固-液相变材料存在相变易流动且导热系数低的缺陷，目前，通过采用多孔基体等定型材料装载硬脂酸可克服缺陷并拓宽其应用范围。生物质具有可再生、成本低廉、来源广泛、机械性能好、结构独特的优势，炭材料作为重要的功能材料其导热系数较高，利用生物质制备多孔炭材料定型基体，可以降低生产成本并提高复合材料储热性能。
发明内容
本发明一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料，所述储热材料组成成分为30-90wt%相变材料和10%-70wt%木耳炭基体材料。
本发明一种木耳炭基复合相变储热材料，所述相变材料为硬脂酸，所述木耳炭基体材料为经低温水热碳化、KOH高温活化之后的生物质木耳炭。
本发明一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料，所述木耳炭基体材料，采用低温水热碳化和KOH高温活化处理能提高木耳炭基体在导热性能及微结构特性(比表面积、孔径分布、储存空间、界面状态)等方面具有明显的储热特征优势。
本发明一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤一 木耳炭的制备
低温水热碳化处理：取干木耳于去离子水中，室温下浸泡1-4h，将浸泡后木耳与去离子水一同置入聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，水热反应12-24h，获得棕褐色粉末，经多次水洗干燥后即得水热炭化木耳；KOH高温活化处理：将水热炭化木耳与KOH固体按比例混合，以惰性气体Ar为保护气，高温条件下反应1-4h，所得初产品经多次水洗干燥后，得到活性木耳炭；
步骤二 以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备
按质量百分含量比30-90wt%：10-70wt%混合硬脂酸和步骤一所得活性木耳炭基体材料，然后将混合物置于带抽真空装置的反应容器内，容器抽真空后置于加热型水浴超声仪中，温度80-95℃、负压0.05-0.1MPa反应20-40min，反应完成后平衡压力，取出，自然冷却，获得木耳炭基复合相变储热材料；置于75-90℃条件下热过滤12-24h获得所述复合相变储热材料。
本发明一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备方法，步骤一中，所述水热反应温度为150-250℃。
本发明一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备方法，步骤一中，所述将水热炭化木耳与KOH固体按比例1-2：2-5混合。
本发明一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备方法，步骤一中，所述KOH高温条件下反应1-4h，其反应温度为800-900℃。
本发明有益效果在于：
本发明选用木耳因其具有泡水后体积膨胀数倍的特性，在一定条件下碳化即可得到微孔隙率极高的生物质炭材料。
本发明所采用的水热法炭化是以生物质干木耳为碳源，水为反应介质，在一定温度下产生自压力，碳源经脱水和脱羧等反应生成炭材料过程。其中，采用低温水热反应(指反应温度小于300℃)使富碳原材料——木耳在反应过程发生脱水和聚合形成碳结构，这种类似于自然煤化的过程所得到的木耳炭基体材料具有相对较高的热传导性能。
炭化木耳中的碳原子与活化剂KOH高温下发生反应并以气态形式释放，主要产生三种效应：(1) 开孔：炭化过程无定形碳会堵塞原有孔隙，活化反应可除去部分无定形碳，重新打开孔隙；(2) 扩孔：碳原子与活化剂反应应以气体状态溢出，并在原始位置留下孔隙形成孔结构，扩大原有孔径；(3) 新孔：活化剂与碳原子反应形成新的孔隙结构。添加KOH的高温活化过程，能够最大限度的扩充孔隙率提高比表面积，此外对基体材料的界面状态产生一定的影响，如，表面官能团活性、毛细管作用力、界面应力等。
总之，本发明低温水热炭化和KOH高温活化处理能够提高木耳炭在导热性能及微结构特性(比表面积、孔径分布、储存空间、界面状态)等方面的储热特征优势，增强了复合相变储热材料的储热性能；原材料绿色环保，满足可持续发展生态理念。
附图说明
图1、2分别为实施例1所得木耳炭基体材料的扫描电子显微镜(SEM)图、所得成品硬脂酸/木耳炭复合相变储热材料的差示扫描量热(DSC)循环曲线。
图3、4分别为对比例1所得木耳炭基体材料的SEM图、所得成品硬脂酸/木耳炭复合相变储热材料的DSC循环曲线。
图5、6分别为对比例2所得木耳炭基体材料的SEM图、所得成品硬脂酸/木耳炭复合相变储热材料的DSC循环曲线。
具体实施方式
实施例1
称取10g干木耳于去离子水中，室温下浸泡2h，将浸泡后木耳与200ml去离子水一同置入聚四氟乙烯内衬的高压不锈钢水热反应釜中，180℃条件下反应24h，获得棕褐色粉末，经多次水洗干燥后即得水热炭化木耳；将水热炭化木耳与KOH按比例1:3混合均匀，置于真空管式炉中，Ar气氛下800℃反应2h，反应完成后，所得初产品经多次水洗干燥，得到木耳炭基体材料；将硬脂酸与木耳炭基体材料按4:1混合均匀置于锥形瓶反应容器内，开启抽真空装置使容器内压力达到-0.05MPa后，再将反应容器移至加热型超声清洗仪中，90℃温度下维持20min，反应完成后平衡压力，取出并自然冷却；置于80℃条件下热过滤12h，获得最终硬脂酸/木耳炭复合相变储热材料。
本实施例所制备的木耳炭基复合相变储热材料性能参数如下：木耳炭基体材料微孔结构众多，呈蜂窝状(表面形貌见图1)，BET比表面积为1799.48m2 g-1；经热过滤后所得不泄露状态下木耳炭基复合相变储热材料最大装载容量为77.51%，储热容量为144.8J g-1(吸热-放热过程见图2）。
对比例1
按照实施例1相同的方法和条件(但省去KOH活化剂的加入)，制备硬脂酸/木耳炭复合相变储热材料。
本对比例所制备的木耳炭基复合相变储热材料性能参数如下：木耳炭基体材材料存在松散孔洞结构(表面形貌见图3)，BET比表面积77.04m2 g-1，基体表面形貌见图；经热过滤后所得不泄露状态下木耳炭基复合相变储热材料最大装载容量为61.98%，储热容量为118.4J g-1(吸热-放热过程见图4）。
对比例2
称取10g干木耳，置于真空管式炉中，Ar气氛下800℃反应2h，反应完成后，所得初产品经多次水洗干燥，得到木耳炭基体材料；将硬脂酸与木耳炭基体材料按4:1混合均匀置于锥形瓶反应容器内，开启抽真空装置使容器内压力达到-0.05MPa后，再将反应容器移至加热型超声清洗仪中，90℃温度下维持20min，反应完成后平衡压力，取出并自然冷却；置于80℃条件下热过滤12h，获得最终硬脂酸/木耳炭复合相变储热材料。
本对比例所制备的木耳炭基复合相变储热材料性能参数如下：木耳炭基体材料表面结构紧凑，孔隙少(表面形貌见图5)，BET比表面积4.56m2 g-1；经热过滤后所得不泄露状态下木耳炭基复合相变储热材料最大装载容量为14.83%，储热容量为28.04J g-1(吸热-放热过程见图6）。

Claims (7)

1.一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料，其特征在于：所述储热材料组成成分为30-90wt%相变材料和10%-70wt%木耳炭基体材料。
2.根据权利要求1所述的一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料，其特征在于：所述相变材料为硬脂酸，所述木耳炭基体材料为经低温水热碳化、KOH高温活化之后的木耳炭。
3.根据权利要求1所述的一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料，其特征在于：所述木耳炭基体材料，采用低温水热碳化和KOH高温活化处理能提高木耳炭基体在导热性能及微结构特性(比表面积、孔径分布、储存空间、界面状态)等方面的储热特征优势。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一 木耳炭基体材料的制备
(1) 低温水热炭化处理：取干木耳于去离子水中，室温下浸泡1-4h，将浸泡后木耳与去离子水一同置入聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，水热反应12-24h，获得棕褐色粉末，经多次水洗干燥后即得水热炭化木耳；(2) KOH高温活化处理：将水热炭化木耳与KOH固体按比例混合，以惰性气体Ar为保护气，高温条件下反应1-4h，所得初产品经多次水洗干燥后，得到木耳炭基体材料；
步骤二以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备
按质量百分含量比30-90wt%：10-70wt%混合硬脂酸和步骤一所得木耳炭基体材料，然后将混合物置于带抽真空装置的反应容器内，容器抽真空后置于加热型水浴超声仪中于温度80-95℃、负压0.05-0.1MPa反应20-40min，反应完成后平衡压力，取出，自然冷却，获得木耳炭基复合相变储热材料；置于75-90℃条件下热过滤12-24h获得所述储热材料。
5.根据权利要求4所述一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述水热反应温度为150-250℃。
6.根据权利要求4所述一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述将水热炭化木耳与KOH固体按比例1-2：2-5混合。
7.根据权利要求4所述一种以木耳炭为定型基体的复合相变储热材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述KOH高温条件下反应1-4h，其反应温度为800-900℃。
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