CN109652022B - 一种新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料制备技术领域，公开了一种新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法，将一定质量的硅藻土分散于糖类水溶液后，加入少量浓硫酸；将混合浆体在烘箱中保温处理一段时间，达到脱除糖类水分并均匀混合硅藻土和碳的目的；将此前驱体在高温炉内通入Ar气快速升温到指定温度后进行煅烧，一段时间后，快速冷却至室温；将冷却后的混合物在马弗炉中空气条件下进行中温段热处理，以消除产物中残留的碳；之后对产物形貌和组成进行检测。本发明在保留硅藻土多孔结构的前提下，在硅藻土颗粒表面和孔道内部生长SiC纳米线，利用SiC纳米线的高导热特性和其形成的网络结构，拟提高硅藻土基相变储能材料的综合性能。

Description

一种新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，尤其涉及一种新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
相变储能材料就是将暂时不用的能量储存起来，到需要时再释放，从而缓解能量需求的矛盾，节约能源。作为相变材料一般须满足一下要求：储能密度大；能源的转换效率高；稳定性好；单位组分材料不易挥发和分解；对多组分材料，则要求各组分间结合牢固；不会发生离析现象；无毒、无腐蚀、不易燃易爆，且价格低廉；导热系数大，以便能量可以及时的储存或者取出，不同状态间转换时，材料提价变化要小。
硅藻土是一种硅质岩石，是一种生物成因的硅质沉积岩，它主要由古代硅藻的遗骸所组成，其化学成分以SiO2为主，可用SiO2·nH2O表示，矿物成分为蛋白石及其变种，硅藻土作为一种常用的有机相变储能材料的多孔载体，应用和研究已经非常广泛。但是，需要注意的是硅藻土一般负载的有机相变储能材料具有导热率低的问题；此外，在如何提高硅藻土对于有机相变储能材料负载量的问题上，目前为止还没有明显可以大幅度提高的方法。
综上所述，现有技术存在的问题是：
对于如何提高硅藻土对有机相变材料的负载量目前并没有良好的解决途径。传统的方法是将硅藻土进行酸浸或者碱浸处理，但是对于提高负载量的程度也非常有限。也有非常少的报导称可以利用纳米SiO2对硅藻土颗粒进行修饰可达到提高负载量的目的。但是，工艺较为复杂，做不到大幅度提高负载量。重要的是这些方法不能同时解决负载量低和有机相变材料导热性差的问题。
目前采用的有机相变储能材料的导热率较低，难以将能量及时的存储或者取出。
解决上述技术问题的难度和意义：
针对有机相变储能材料导热率低的问题，目前的研究证明可以利用碳纳米管、石墨烯和泡沫金属等提高该项性能。但是这些材料成本高昂，会阻碍相变储能材料的大规模应用。SiC纳米线具有导热率高，性质稳定等多种优异性能。利用碳热还原法在硅藻土颗粒表面及孔道内部生长出具有蓬松网络结构的SiC纳米线，在理论上不但可以利用其毛细作用吸附大量的有机相变材料，同时可以提高有机相变材料的导热率。
通过负载能量较高的相变储能材料能够大幅度提高能源的利用率，能够解决当今社会能源短缺及环境污染的重要问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法。
本发明是这样实现的，一种新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法为：
步骤一：将一定质量的硅藻土均匀分散于有机糖类水溶液后(硅藻土纯度90％以上，其中SiO2与有机糖类中C的物质的量之比为4:1～1:4)，向其中滴加少量的浓硫酸(浓度98％以上)，浓硫酸的物质的量与有机糖类物质的量之比为25:2～50:1，将此混合浆体放入烘箱中进行烘干处理，具体为100℃下烘干12～24h后，继续在200℃条件下进行烘干，时间为12～24h。烘干处理结束后，将此前驱体研磨为细粉并在高温炉中快速升温(升温速率不低于100℃/min)到指定温度(1100～1400℃)，同时通入Ar气进行保护，(Ar气流速5～20ml/s)；煅烧一段时间(0.5～4h)后，快速降温(降温速率不低于100℃/min)到至室温；
步骤二：将冷却后的混合物再次在空气气氛中进行中温段热处理(保温温度段：500～800℃，升温速率不低于20℃/min，保温时间：2～10h)；
步骤三：利用扫描电子显微镜和能谱分析仪对产物的形貌和元素组成进行分析。
进一步，所述在高温炉中的煅烧温度为1100～1400℃，煅烧时间为0.5～4h，升温速率不低于100℃/min，通入Ar气进行保护，Ar气流速5～20ml/s。
进一步，所述的新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法，其特征在于，所述过量的碳与硅藻土的分离采用中温段(500～800℃)空气气氛煅烧处理，将反应产物中的碳氧化去除。
进一步，所用碳源可以为有机糖类，具体为：蔗糖、葡萄糖和果糖等。硅藻土分散于有机糖类溶液后，加入浓硫酸的物质的量与有机糖类物质的量之比为25:2～50:1。
本发明的另一目的在于提供一种新型复合硅藻土相变储能材料载体，在基本保留硅藻土多孔的结构特性基础上，同时增加了SiC纳米线的蓬松网络结构；利用这样的结构体可以同时起到提高有机相变材料的负载量和导热率的作用。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
对于如何提高硅藻土对有机相变材料的负载量目前并没有良好的解决途径。传统的方法是将硅藻土进行酸浸或者碱浸处理，但是对于提高负载量的程度也非常有限。也有非常少的报导称可以利用纳米SiO2对硅藻土颗粒进行修饰已达到提高负载量的目的。但是，工艺较为复杂，做不到大幅度提高负载量。重要的是这些方法没有同时解决负载量低和有机相变材料导热性差的问题。
针对有机相变储能材料导热率低的问题，目前的研究证明可以利用碳纳米管、石墨烯和泡沫金属等提高该项性能。但是这些材料成本高昂，会阻碍相变储能材料的大规模应用。SiC纳米线具有导热率高，性质稳定等多种优异性能。利用碳热还原法在硅藻土颗粒表面及孔道内部生长出具有蓬松网络结构的SiC纳米线，在理论上不但可以利用其毛细作用吸附大量的有机相变材料，同时可以提高有机相变材料的导热率。
本发明通过碳热还原法，在保留硅藻土多孔结构的前提下，在硅藻土颗粒表面和孔道内部生长SiC纳米线，利用SiC纳米线的高导热特性和其形成的网络结构，提高硅藻土基相变储能材料的综合性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的硅藻土颗粒在碳热还原过程中的微观形貌变化及产物图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理做详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法为：
S101:将一定质量的硅藻土均匀分散于有机糖类水溶液后(硅藻土纯度90％以上，其中SiO2与有机糖类中C的物质的量之比为4:1～1:4)向其中滴加少量的浓硫酸(浓度98％以上)，浓硫酸的物质的量与有机糖类物质的量之比为25:2～50:1，将此混合溶液放入烘箱中进行烘干处理，具体为100℃下烘干12～24h后，继续在200℃条件下进行烘干，时间为12～24h。烘干处理结束后，将此前驱体研磨为细粉并在高温炉中快速升温(升温速率不低于100℃/min)到指定温度(1100～1400℃)，同时通入Ar气进行保护，(Ar气流速5～20ml/s)；煅烧一段时间(0.5～4h)后，快速降温(降温速率不低于100℃/min)到至室温；
S102:将冷却后的混合物再次在空气气氛中进行中温段热处理(保温温度段：500～800℃，升温速率不低于20℃/min，保温时间：2～10h)；
S103:利用扫描电子显微镜和能谱分析仪对产物的形貌和元素组成进行分析。
所述在高温炉中的煅烧温度为1100～1400℃，煅烧时间为0.5～4h，升温速率不低于100℃/min，通入Ar气进行保护，Ar气流速5～20ml/s。
所述的新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法，其特征在于，所述过量的碳与硅藻土的分离采用中温段(500～800℃)空气气氛煅烧处理的方法，将反应产物中的碳氧化去除。
所用碳源可以为有机糖类，具体为：蔗糖、葡萄糖和果糖等。硅藻土分散于有机糖类溶液后，加入浓硫酸的物质的量与有机糖类物质的量之比为25:2～50:1。
本发明实施例提供的过量的碳与硅藻土的分离采用空气气氛焙烧，将反应物中的碳粉燃烧提高硅藻土的孔隙度。
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。
以蔗糖和硅藻土为原料，按照具体实施方式进行合成，得到结果如图2所示。可以看到的是硅藻土颗粒(a)经过和蔗糖溶液混合，进行脱水处理之后。碳完全包覆并进入到硅藻土颗粒中(b)。此前驱体经过前述的热处理过程之后，基本保留了硅藻土的多孔结构(c)并在表面和周围生长出了SiC纳米线。
图2硅藻土颗粒在碳热还原过程中的微观形貌变化及产物；(a)硅藻土颗粒；(b)蔗糖溶液浸入硅藻土颗粒，脱水处理后的硅藻土颗粒；(c)经过碳热还原后的硅藻土颗粒；(d)碳热还原产物中的SiC纳米线，其中插图为标注区域的EDS图谱。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法，其特征在于，所述新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法为：步骤一：将硅藻土分散于有机糖类水溶液后，滴加少量的浓硫酸，浓硫酸的物质的量与有机糖类物质的量之比为25:2～50:1，将此混合浆体放入烘箱中进行烘干处理，100℃下烘干12～24h后，继续在200℃条件下进行烘干，时间为12～24h；烘干处理结束后，将前驱体研磨为细粉并在高温炉中升温速率不低于100℃/min升温到温度1100～1400℃，同时通入Ar气进行保护，Ar气流速5～20ml/s；煅烧0.5～4h后，降温速率不低于100℃/min降温到至室温；
步骤二：将冷却后的混合物再次在空气气氛中进行中温段热处理；所述中温段热处理的方法包括：保温温度段：500～800℃，升温速率不低于20℃/min，保温时间：2～10h；
步骤三：利用扫描电子显微镜和能谱分析仪对产物的形貌和元素组成进行分析。
2.如权利要求1所述新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法，其特征在于，步骤一中，硅藻土纯度大于90％，SiO2与有机糖类中C的物质的量之比为4:1～1:4；所述在高温炉中的煅烧温度为1100～1400℃，煅烧时间为0.5～4h，升温速率不低于100℃/min，通入Ar气进行保护，Ar气流速5～20ml/s。
3.如权利要求1所述的新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法，其特征在于，所述过量的碳与硅藻土的分离采用中温段空气气氛煅烧处理的方法，保温温度段：500～800℃，升温速率不低于20℃/min，保温时间：2～10h；拟达到将反应产物中的碳氧化去除的目的。
4.如权利要求1所述的新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法，其特征在于，所用碳源为有机糖类，具体为：蔗糖、葡萄糖和果糖；硅藻土分散于有机糖类溶液后，加入浓硫酸的物质的量与有机糖类物质的量之比为25:2～50:1。
5.一种如权利要求1所述新型复合硅藻土相变储能材料载体的制备方法制备的新型复合硅藻土相变储能材料载体，在保留硅藻土多孔的结构特性基础上，增加SiC纳米线形成蓬松网络结构。
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