CN110819307B - 一种多孔碳基定型复合相变材料及制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过高温焙烧和真空浸渍合成一种可用作储热的多孔碳基定型复合相变材料的制备方法。该方法以蔗糖、碳酸氢钠为原料，通过高温焙烧的方法制得多孔碳支撑载体，然后加入有机相变材料，通过真空加热浸渍的方法，将相变材料负载到多孔碳中，最终制得多孔碳基定型复合相变材料。其中，在多孔碳载体的制备过程中改变蔗糖与碳酸氢钠的比例可以制得不同结构的孔，进而通过真空浸渍后，得到不同负载量的定型复合相变材料。本方法合成的复合相变材料中多孔碳和相变材料之间通过物理联系结合在一起，稳定性好，可用于工业设备的储热和余热回收以及太阳能的光热转化等方面。

Description

一种多孔碳基定型复合相变材料及制备和应用
技术领域
本发明属于复合相变材料领域，特别涉及通过高温焙烧，真空浸渍的方法合成均匀的可用作储热的多孔碳基定型复合相变材料的制备方法。
背景技术
能源短缺是伴随着社会发展出现的一个亟待解决的重大难题，人们希望通过提高对传统能源的利用率以及开发利用新能源来面对这一挑战。热能作为能源领域的一个重要方面，如何对热能进行储存和利用一直是人们关注的热点。其中潜热储能具有更高的储能密度，因此受到研究者的青睐。而潜热储能的核心是相变材料。
相变材料通过本身在相变过程中对热能的吸收或释放对热能进行管理，因此对相变材料的研究是研究潜热储能系统的重点。通常来说，相变材料分为三类：固-固相变材料，固-液相变材料，液-气相变材料。其中，固-固相变材料相变温度高且相变焓小，液-气相变材料在相变过程中体积变化大，而固-液相变材料既具有巨大的相变潜热而且相变过程中体积变化小，因此具有极大的应用前景。但固-液相变材料在相变过程中会变成液态从而存在流动、泄漏的问题。为了解决这个问题，常用的方法有三种：化学接枝，定型相变材料，微胶囊。而定型相变材料通过与其他载体材料的结合，通过之间的物理作用使得相变材料在相变过程中仍然保持固态。常见的载体有天然的膨胀珍珠岩、硅藻土等孔材料以及通过化学方法合成的二氧化硅凝胶、三氧化二铝等。该种方法制备工艺简单，制备的材料具有稳定的热性能，是一种非常重要的定型相变材料的制备方法。
以蔗糖、碳酸氢钠为原料，通过控制不同的蔗糖与碳酸氢钠的比例，高温焙烧制备得到不同结构的多孔碳载体，然后通过真空浸渍的方法将相变材料浸渍到载体的孔中，最终制得定型复合相变材料。在产物中，相变材料均匀的分散在支撑材料中，相变材料的负载量高，相变焓值大；其中，相变材料与支撑载体之间通过物理联系紧密联系在一起，结构性能稳定，具有优秀的热性能和支撑性能。
发明内容
本发明提出了一种以蔗糖和碳酸氢钠为原料，在引燃剂的作用下，点燃生成多孔碳前驱体，然后通过高温焙烧制得多孔碳载体；然后通过真空浸渍的方法将相变材料：石蜡，聚乙二醇，脂肪醇，脂肪酸等浸入到载体中，最终制得多孔碳基定型复合相变材料。
合成多孔碳基定型复合相变材料包括以下步骤：
(1)将蔗糖和碳酸氢钠按照一定的比例混合均匀，在引燃剂的存在下引燃，燃烧制备多孔碳前驱体，然后在惰性气氛下高温焙烧一定时间制得多孔碳载体。
(2)将相变材料与(1)中得到的载体混合，置于真空烘箱中是使相变材料充分进入到载体的孔中，制得多孔碳基定型复合相变材料。
进一步地，构筑多孔碳载体的原料为蔗糖和碳酸氢钠。
进一步地，构筑多孔碳载体的原料质量比为蔗糖/碳酸氢钠＝1-8。
进一步地，蔗糖和碳酸氢钠混合均匀的方法为球磨。
进一步地，球磨的时间为20-40min。
进一步地，球磨的转速为200-400r/min。
进一步地，所述步骤(1)中的引燃剂为乙醇。
进一步地，所述步骤(1)中的引燃剂的比例为1-2mL/g(蔗糖)。
进一步地，所述步骤(1)中的高温温度为700-900℃。
进一步地，所述步骤(1)中的惰性气氛为N2，Ar。
进一步地，所述步骤(1)中的高温焙烧时间为2-3h。
进一步地，所述步骤(2)中的相变材料为石蜡，聚乙二醇，脂肪醇，脂肪酸。
进一步地，所述步骤(2)中真空烘箱的设定温度为80-100℃。
进一步地，所述步骤(2)中真空浸渍的时间为2-4h。
进一步地，最终制得的多孔碳基定型复合相变材料为黑色块状固体。
本发明所涉及的原料简单易得，制备的反应条件对设备要求低，所制得的多孔碳基定型复合相变材料为黑色块状物，具有无泄漏、优秀的相变性能、热稳定性好等优点。该产品可广泛地应用于热能储存，余热回收，太阳能的光热转化等方面。
附图说明
图1多孔碳/石蜡(70％)的差示扫描量热曲线。
具体实施方式
实施例1
(1)取蔗糖1.5g，碳酸氢钠1.0g加入到球磨罐中，转速300r/min，球磨30min。将混合好的产物用1.5mL乙醇引燃，燃烧得到多孔碳前驱体；将前驱体放到管式炉中，在N2气氛下，升温至800℃，恒温3h，得到多孔碳。
(2)向(1)中的产物中加入适量石蜡，放入真空烘箱中，温度设置80℃，浸渍2h。
(3)将(2)中得到的产物放入烘箱中，除去未浸渍的石蜡，最终得到多孔碳基定型复合相变材料。
本发明多孔碳基定型复合相变材料为黑色块状物，其中石蜡质量百分数约占75％，其差示扫描量热曲线如图1所示。在制得的复合相变材料过程中，免除了化学反应制备多孔碳模板的复杂过程，例如常用的酚醛树脂模板法制备多孔碳需要苯酚和甲醛进行反应，然后进行焙烧，从而使得该发明方法简单易行；同时，在反应过程中原料为蔗糖和碳酸氢钠，没有其他化学溶剂如苯、丙酮等的加入，制备方法更加绿色环保；通过此方法制备的多孔碳载体在孔径分布上表现为分级多孔形态，即同时具有微孔(19.4％)、介孔(64.6)和大孔(16％)，分级多孔的存在对相变材料有优秀的包覆能力，石蜡的负载量可以达到75％，相变焓值可以达到150J/g(图1)；同时不同孔径的孔道相互协同，将相变材料有效的限制在孔的空间内，即使在相变材料发生相变过程中即固体变为液体，仍然通过孔对其的物理作用力如范德华作用力，毛细管作用等紧紧束缚在孔的区间里，防止其流动出来(即无泄漏)造成相变材料的热性能降低以及环境设备的损害，保证其使用性能稳定。而其他方法制备的多为单一孔道结构，单一的孔道结构往往会限制相变材料的性能：微、介孔会限制相变材料的储热性能，使其相变焓值急剧减小，；大孔对相变材料的包覆能力弱，不能完全将其限制在孔道结构中，因此在使用过程中发生相变时会变成液态流出。
实施例2
(1)取蔗糖1.5g，碳酸氢钠1.5g加入到球磨罐中，转速300r/min，球磨30min。将混合好的产物用2mL乙醇引燃，燃烧得到多孔碳前驱体；将前驱体放到管式炉中，在N2气氛下，升温至800℃，恒温3h，得到多孔碳。
(2)向(1)中的产物中加入适量石蜡，放入真空烘箱中，温度设置80℃，浸渍2h。
(3)将(2)中得到的产物放入烘箱中，除去未浸渍的石蜡，最终得到多孔碳基定型复合相变材料。
本发明多孔碳基定型复合相变材料为黑色块状物，其中石蜡质量百分数约占70％。在制得的复合相变材料过程中，免除了化学反应制备多孔碳模板的复杂过程，例如常用的酚醛树脂模板法制备多孔碳需要苯酚和甲醛进行反应，然后进行焙烧，从而使得该发明方法简单易行；同时，在反应过程中原料为蔗糖和碳酸氢钠，没有其他化学溶剂如苯、丙酮等的加入，制备方法更加绿色环保；通过此方法制备的多孔碳载体在孔径分布上表现为分级多孔形态，即同时具有微孔(13.8％)、介孔(48.4％)和大孔(37.8％)，分级多孔的存在对相变材料有优秀的包覆能力，石蜡的负载量可以达到70％，相变焓值可以达到140J/g；同时不同孔径的孔道相互协同，将相变材料有效的限制在孔的空间内，即使在相变材料发生相变过程中即固体变为液体，仍然通过孔对其的物理作用力如范德华作用力，毛细管作用等紧紧束缚在孔的区间里，防止其流动出来(即无泄漏)造成相变材料的热性能降低以及环境设备的损害，保证其使用性能稳定。而其他方法制备的多为单一孔道结构，单一的孔道结构往往会限制相变材料的性能：微、介孔会限制相变材料的储热性能，使其相变焓值急剧减小，；大孔对相变材料的包覆能力弱，不能完全将其限制在孔道结构中，因此在使用过程中发生相变时会变成液态流出。
实施例3
(1)取蔗糖1.5g，碳酸氢钠1.0g加入到球磨罐中，转速300r/min，球磨30min。将混合好的产物用1.5mL乙醇引燃，燃烧得到多孔碳前驱体；将前驱体放到管式炉中，在N2气氛下，升温至700℃，恒温2h，得到多孔碳。
(2)向(1)中的产物中加入适量石蜡，放入真空烘箱中，温度设置80℃，浸渍2h。
(3)将(2)中得到的产物放入烘箱中，除去未浸渍的石蜡，最终得到多孔碳基定型复合相变材料。
本发明多孔碳基定型复合相变材料为黑色块状物，其中石蜡质量百分数约占65％。在制得的复合相变材料过程中，免除了化学反应制备多孔碳模板的复杂过程，例如常用的酚醛树脂模板法制备多孔碳需要苯酚和甲醛进行反应，然后进行焙烧，从而使得该发明方法简单易行；同时，在反应过程中原料为蔗糖和碳酸氢钠，没有其他化学溶剂如苯、丙酮等的加入，制备方法更加绿色环保；通过此方法制备的多孔碳载体在孔径分布上表现为分级多孔形态，即同时具有微孔(14.7％)、介孔(38.1％)和大孔(47.2％)，分级多孔的存在对相变材料有优秀的包覆能力，石蜡的负载量可以达到65％，相变焓值可以达到130J/g；同时不同孔径的孔道相互协同，将相变材料有效的限制在孔的空间内，即使在相变材料发生相变过程中即固体变为液体，仍然通过孔对其的物理作用力如范德华作用力，毛细管作用等紧紧束缚在孔的区间里，防止其流动出来(即无泄漏)造成相变材料的热性能降低以及环境设备的损害，保证其使用性能稳定。而其他方法制备的多为单一孔道结构，单一的孔道结构往往会限制相变材料的性能：微、介孔会限制相变材料的储热性能，使其相变焓值急剧减小，；大孔对相变材料的包覆能力弱，不能完全将其限制在孔道结构中，因此在使用过程中发生相变时会变成液态流出。
实施例4
(1)取蔗糖1.5g，碳酸氢钠0.8g加入到球磨罐中，转速300r/min，球磨30min。将混合好的产物用1.5mL乙醇引燃，燃烧得到多孔碳前驱体；将前驱体放到管式炉中，在N2气氛下，升温至800℃，恒温3h，得到多孔碳。
(2)向(1)中的产物中加入适量石蜡，放入真空烘箱中，温度设置80℃，浸渍2h。
(3)将(2)中得到的产物放入烘箱中，除去未浸渍的石蜡，最终得到多孔碳基定型复合相变材料。
本发明多孔碳基定型复合相变材料为黑色块状物，其中石蜡质量百分数约占60％。在制得的复合相变材料过程中，免除了化学反应制备多孔碳模板的复杂过程，例如常用的酚醛树脂模板法制备多孔碳需要苯酚和甲醛进行反应，然后进行焙烧，从而使得该发明方法简单易行；同时，在反应过程中原料为蔗糖和碳酸氢钠，没有其他化学溶剂如苯、丙酮等的加入，制备方法更加绿色环保；通过此方法制备的多孔碳载体在孔径分布上表现为分级多孔形态，即同时具有微孔(21.6％)、介孔(58.9％)和大孔(19.5％)，分级多孔的存在对相变材料有优秀的包覆能力，石蜡的负载量可以达到60％，相变焓值可以达到120J/g；同时不同孔径的孔道相互协同，将相变材料有效的限制在孔的空间内，即使在相变材料发生相变过程中即固体变为液体，仍然通过孔对其的物理作用力如范德华作用力，毛细管作用等紧紧束缚在孔的区间里，防止其流动出来(即无泄漏)造成相变材料的热性能降低以及环境设备的损害，保证其使用性能稳定。而其他方法制备的多为单一孔道结构，单一的孔道结构往往会限制相变材料的性能：微、介孔会限制相变材料的储热性能，使其相变焓值急剧减小，；大孔对相变材料的包覆能力弱，不能完全将其限制在孔道结构中，因此在使用过程中发生相变时会变成液态流出。

Claims (11)

1.一种多孔碳基定型复合相变材料的制备方法，其特征在于具有以下工艺步骤：
（1）将蔗糖和碳酸氢钠混合均匀，在引燃剂的存在下引燃，燃烧制备多孔碳前驱体，然后在惰性气氛下高温焙烧制得多孔碳载体；蔗糖和碳酸氢钠混合均匀的方法为球磨，球磨的时间为20-40min，球磨的转速为200-400r/min；所述步骤（1）中的引燃剂为乙醇；所述步骤（1）中的引燃剂的比例相对蔗糖的体积质量比为1-2 mL/g；所述步骤（1）中的高温温度为700-900℃；所述步骤（1）中的高温焙烧时间为2h；
（2）将相变材料与（1）中得到的载体混合，置于真空烘箱中是使相变材料充分进入到载体的孔中，制得多孔碳基定型复合相变材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：构筑多孔碳载体的原料质量比为蔗糖/碳酸氢钠=1-8。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：构筑多孔碳载体的原料质量比为蔗糖/碳酸氢钠=1.5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：蔗糖和碳酸氢钠混合均匀的方法为球磨，球磨转速为300r/min，球磨时间为30min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的温度为800℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的惰性气氛为N2、Ar中的一种或二种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的相变材料为石蜡、聚乙二醇、脂肪醇、脂肪酸中的一种或二种以上；最终制得的材料中相变材料的质量分数为30-80%。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中真空烘箱的设定温度为80-100℃；所述步骤（2）中真空浸渍的时间为2-4 h。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中真空烘箱的设定温度为100℃；所述步骤（2）中真空浸渍的时间为2h。
10.一种权利要求1-9任一所述的制备方法制备获得的多孔碳基定型复合相变材料，最终制得的多孔碳基定型复合相变材料为黑色块状固体。
11.一种根据权利要求10所述的多孔碳基定型复合相变材料，其特征在于：产品可用作储热控温相变材料。
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