CN108997977A - 一种导热增强有机相变储能材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导热增强有机相变储能材料，由含有纳米颗粒的有机相变储能材料作为芯材和多孔材料作为壁材组成，所述的纳米颗粒为氮化硼、碳纳米管、膨胀石墨和氧化石墨烯。其制备方法包括：1）有机相变材料的乳化过程；2）多孔材料真空吸附含有纳米颗粒的有机相变材料的过程；3）取出真空吸附后所得产品过程。本发明具有以下优点：1）热相应速度快，即热传导性能高；2）储热密度大；3）具有良好的热循环稳定性；4）原料安全，无毒、无腐蚀且制备过程简单，成本低廉的技术特点。因此，本发明具有更优良的导热性和稳定性，提高了能源使用效率，具有广阔的应用前景。

Description

一种导热增强有机相变储能材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机高分子化合物其制备或化学加工技术领域中相变材料技术领域，具体是一种导热增强有机相变储能材料及其制备方法。
技术背景
随着经济的发展和科技的进步，传统能源正在以惊人的速度消耗，人类正面临着前所未有的能源短缺问题。解决这个问题的基本途径有两个：一是开发可再生能源；二是提高能源使用效率。因此，能量的储存尤为重要。热能储存系统为能量储存提供了可能性，而潜热储存是热能储存最有效的方式。相变储能材料（Phase Change Material, PCM），是利用物质在相变过程中的吸热和放热特性，进行热量储存和温度调节控制的材料，有助于提高能源使用效率，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。
相变材料的相变过程在胶囊内部进行，对外始终保持为固态，可有效解决相变储能材料的泄露、相分离及腐蚀性问题，提高了相变芯材的稳定性和耐久性，有利于改善相变材料的应用性能。相变储能材料所采用的壁材为多孔材料，具体包括膨胀珍珠岩，凹凸棒土，膨胀石墨，膨胀蛭石，多孔氧化铝，活性炭等；相变储能材料所采用的芯材为有机相变材料，具体包括长链脂肪酸、多元醇、石蜡、正十八烷等。
研究发现：芯材为有机相变材料存在热响应速率较慢的不足，限制了其在较高领域的应用。因此，现有技术存在的技术问题是需要提高相变材料的热传导性能，从而提高微胶囊复合相变储能材料在使用过程中的耐久性和热稳定性。
纳米材料的比表面积相对块体材料来说是巨大的，因此添加极少量的纳米材料到基质中即会产生极大的界面和巨大的导热网络，且纳米导热颗粒具有较强的导热性能，可增加材料的热稳定性和导热性能。
研究发现，氮化硼具有特殊的层结构和较大的比表面积，其耐久性好和吸附容量大，且导热系数高达400 W/（m•K），是一种潜在应用的材料。同时，氮化硼纳米片具有巨大的传热面积可有效降低其与聚合物间的界面热阻，且其化学稳定性好、耐热性好，有利于提高微胶囊复合相变储能材料的导热性能、热响应速率和应用持久性。但是氮化硼呈化学惰性，反应活性低，因此需对氮化硼进行修饰，提高其分散性及与树脂基体的相容性。
碳纳米管由卷曲的石墨片构成，从而具有石墨导热率高和巨大长径比的特点。经计算，在温度为100K时，单根碳纳米管的导热率为37000 W/mK，室温下能达到6600 W/mK，这一数据几乎是所报道的金刚石室温下导热率 (3320 W/mK) 的2倍。
2004年英国两位科学家发现了新的碳家族成员—石墨烯。通过对石墨烯的进一步了解发现：石墨烯是当今世界上最薄、最坚硬的纳米材料，具有良好的透明性和亲油性，导热系数高达5300 W/m·K。其衍生物氧化石墨烯的结构与石墨烯类似，仍然保持层状结构，不一样的是，氧化石墨烯的表面具有多种含氧官能团，例如羟基，具有较好的亲水性。
膨胀石墨也具有良好的导热性能。
上述材料均与有机物有较好的相容性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的导热系数低的技术问题，提供一种导热增强有机相变储能材料及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
导热增强有机相变储能材料，包含有机相变材料作为芯材和多孔材料作为壁材；
所述有机相变材料为含有纳米颗粒的有机相变储能材料，具体是氮化硼、碳纳米管、膨胀石墨和氧化石墨烯；
所述的纳米颗粒与相变材料的质量比为0.03~0.05：9；
所述的有机相变材料为长链脂肪酸、多元醇、石蜡、正十八烷；
所述的多孔材料为膨胀珍珠岩、凹凸棒土、膨胀石墨、膨胀蛭石、多孔氧化铝和活性炭。
导热增强有机相变储能材料的制备方法包括以下步骤：
步骤1，有机相变材料的乳化过程，首先将纳米颗粒与有机相变材料混合超声分散，形成均匀的分散液。然后将该分散液与乳化剂、溶剂混合均匀后，在40~70℃，1000~1500 RMP条件下搅拌乳化，形成稳定均匀的乳液，得到含有纳米颗粒的有机相变材料；
步骤2，多孔材料吸附含有纳米颗粒的有机相变材料的过程，将步骤,1得到的含有纳米颗粒的有机相变材料与多孔材料进行混合，在一定条件下进行吸附；
步骤3，取出步骤2真空吸附后所得产品自然冷却至室温，即制得导热增强有机相变储能材料。
所述步骤2，多孔材料吸附含有纳米颗粒的有机相变材料的过程中还包括均匀搅拌过程；
所述步骤2，多孔材料吸附含有纳米颗粒的有机相变材料的过程是在真空干燥箱，50℃的条件下进行的真空吸附；
所述步骤2，多孔材料吸附含有纳米颗粒的有机相变材料的过程之前，先进行多孔材料的预处理过程，将多孔材料放入真空干燥箱在110℃条件下干燥。
相较于现有技术，本发明的有益技术效果经实验检测发现：
1）热相应速度快，即热传导性能高；
2）储热密度大，其储热相变潜热可达140~170 J/g的范围；
3）具有良好的热循环稳定性，对其进行20次DSC热循环，热性能基本保持不变；
4）原料安全，无毒、无腐蚀且制备过程简单，成本低廉。
因此，本发明与现有技术相比具有更优良的导热性和稳定性，提高了能源使用效率，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例中的导热增强有机相变储能材料DSC图。
具体实施方式
本发明以下结合说明书附图，通过实施例对本发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限定。
实施例
导热增强有机相变储能材料的制备方法：
步骤1，有机相变材料的乳化过程，首先将纳米颗粒与有机相变材料混合超声分散30min，形成均匀的分散液。然后将该分散液与乳化剂、溶剂混合均匀后，在40~70℃，1000~1500 RMP条件下搅拌乳化2 h，形成稳定均匀的乳液，得到含有纳米颗粒的有机相变材料；
步骤2，取洁净干燥的烧杯，加入多孔材料，在110℃烘箱中干燥30分钟；
步骤3，将步骤1得到的干燥多孔材料和步骤2得到的含有纳米颗粒的有机相变材料进行混合，超声分散10 min，使相变材料与多孔材料混合均匀；
步骤4，将混合后样品放入50℃真空烘箱，抽真空8小时。期间每隔2小时用玻璃棒均匀搅拌烧杯中的样品，促进多孔材料对相变材料的充分吸附；
步骤5，取出样品，自然冷却至室温，即得所制备的导热增强有机相变储能材料。
所得导热增强有机相变储能材料经DSC实验测定，结果如图1所示，相变潜热160.2J/g。

Claims (9)

1.一种导热增强有机相变储能材料，包含有机相变材料作为芯材和多孔材料作为壁材，其特征在于：所述有机相变材料为含有纳米颗粒的有机相变储能材料。
2.根据权利要求1所述的相变储能材料，其特征在于：所述的纳米颗粒为氮化硼、碳纳米管、膨胀石墨和氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的相变储能材料，其特征在于：所述的纳米颗粒与相变材料的质量比为0.03~0.05：9。
4.根据权利要求1所述的相变储能材料，其特征在于：所述的有机相变材料为长链脂肪酸、多元醇、石蜡、正十八烷。
5.根据权利要求1所述的相变储能材料，其特征在于：多孔材料为膨胀珍珠岩、凹凸棒土、膨胀石墨、膨胀蛭石、多孔氧化铝和活性炭。
6.根据权利要求1所述的导热增强有机相变储能材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，有机相变材料的乳化过程，首先将纳米颗粒与有机相变材料混合超声分散，形成均匀的分散液，然后将该分散液与乳化剂、溶剂混合均匀后，在40~70℃，1000~1500 RMP条件下搅拌乳化，形成稳定均匀的乳液，得到含有纳米颗粒的有机相变材料；
步骤2，多孔材料吸附含有纳米颗粒的有机相变材料的过程，将步骤1得到的含有纳米颗粒的有机相变材料与多孔材料进行混合，在一定条件下进行吸附；
步骤3，取出步骤2吸附后所得产品自然冷却至室温，即制得导热增强有机相变储能材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2，多孔材料吸附含有纳米颗粒的有机相变材料的过程之前，先进行多孔材料的预处理过程，将多孔材料放入真空干燥箱在110℃条件下干燥。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2，多孔材料吸附含有纳米颗粒的有机相变材料的过程中还包括均匀搅拌过程。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2，多孔材料吸附含有纳米颗粒的有机相变材料的过程的条件是在真空干燥箱，50℃的条件下进行的真空吸附。
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