CN110872490B - 一种中低温管式碳纤维复合相变材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中低温管式碳纤维复合相变材料及其制备方法，涉及相变储热技术领域，相变材料易于成型、易于构筑流体流道，具有较高的热导率，密封性好，具有优良的物理化学稳定性；该方法包括：S1、用碳纤维、水和粘结剂配制成浆料；S2、将浆料置于模具中进行离心并干燥，得到多孔碳纤维管；S3、将多孔碳纤维管浸入有机物/无机盐相变材料中，使相变材料完全浸渗入碳纤维管壁中，冷却得到碳纤维管基有机物/无机盐复合相变材料；S4、利用成膜剂对碳纤维管基有机物/无机盐复合相变材料的表面进行修饰和封装，得到最终的管式碳纤维基‑有机物复合相变材料。本发明提供的技术方案适用于中低温相变材料制备的过程中。

Description

一种中低温管式碳纤维复合相变材料及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及相变储热技术领域，尤其涉及一种中低温管式碳纤维复合相变材料及其制备方法。

【背景技术】

相变储热技术对于能源的高效利用具有重要意义。现有中低温相变储热材料主要包括水合盐，有机物，以及一些具有低共熔点的非含水盐等。无机盐和有机相变材料在实际应用过程中难以成型，且无机盐在高温情况下容易对承载体产生腐蚀(如无机盐对金属箱体)。现有复合相变材料比如相变胶囊、碳纳米管和石墨烯基的复合相变材料制备工艺复杂且成本较高，实际应用受到限制。

因此，有必要研究一种中低温管式碳纤维复合相变材料及其制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种中低温管式碳纤维复合相变材料及其制备方法，制备的管式复合相变材料易于成型、易于构筑中低温流体流道，具有较高的热导率，同时避免相变材料的流失，具有优良的物理化学稳定性。

一方面，本发明提供一种中低温管式碳纤维复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤包括：

S1、用碳纤维、水和粘结剂配制成碳纤维浆料；碳纤维质量分数为50％～60％，粘结剂质量分数为3％～5％；

S2、将碳纤维浆料置于模具中进行离心，制备碳纤维管坯并干燥，得到多孔碳纤维管；

S3、将多孔碳纤维管浸入有机物/无机盐相变材料中，使有机物/无机盐相变材料完全浸渗入多孔碳纤维管中，冷却得到碳纤维管基有机物/无机盐复合相变材料；

S4、利用成膜剂对碳纤维管基有机物/无机盐复合相变材料的表面进行修饰和密封，得到最终的管式碳纤维基-有机物复合相变材料。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1中使用的碳纤维为微米级碳纤维粉体。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2的具体内容为：将碳纤维浆料倒入干燥且涂有脱模剂的模具中并密封，将模具水平固定于离心机的转轴上进行离心，倒出管中剩余液体，制得碳纤维管坯，对碳纤维管坯进行干燥得到多孔碳纤维管。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，对碳纤维管坯进行干燥具体为：将碳纤维管坯置于恒温恒湿环境下进行完全干燥。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3的具体内容为：在加热条件下，将多孔碳纤维管浸入熔融状态的有机物/无机盐相变材料中进行完全浸渗，将完全浸渗后的多孔碳纤维管缓慢移出熔融状态的有机物/无机盐相变材料，并置于室温下冷却。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中对碳纤维管基有机物/无机盐复合相变材料的表面进行修饰和密封的过程包括对内表面和外表面分别进行的修饰和密封；

对内表面进行修饰和密封的过程为：将成膜剂倒入碳纤维管中，并在离心机的作用下进行离心，后倒出剩余液体，并干燥，完成对碳纤维管内表面的修饰和密封；

对外表面进行修饰和密封的过程为：在碳纤维管的外表面涂覆成膜剂并进行挤压，使成膜剂在碳纤维管的外表面形成薄膜，实现修饰和封装。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述粘结剂为聚乙烯醇；所述成膜剂为硅胶或环氧树脂。

另一方面，本发明提供一种中低温管式碳纤维复合相变材料，其特征在于，采用如上任一所述的制备方法制备；

所述管式碳纤维复合相变材料包括多孔碳纤维管、浸渗于碳纤维管壁孔中的有机物/无机盐相变材料和设于碳纤维管内外表面的密封层。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述有机物/无机盐相变材料为：单一种类的有机物/无机盐或者多种有机物/无机盐的混合物。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述密封层的材质为成膜剂。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：使用本发明的制备方法制备的管式复合相变材料易于成型、易于构筑中低温流体流道，具有较高的热导率，同时将有机物或无机盐相变材料密封于多孔碳纤维管壁中避免相变材料的流失，具有优良的物理化学稳定性；相较于传统相变材料有更强的耐腐蚀性能，便于实际应用。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的管式碳纤维基有机物/无机盐中低温复合相变材料制备流程图；

图2(a)是本发明一个实施例制备的管式碳纤维基有机物/无机盐中低温复合相变材料的横截面图；

图2(b)是本发明一个实施例制备的管式碳纤维基有机物/无机盐中低温复合相变材料的纵截面图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，例如相同或相似的成分或工艺微调等，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术的不足，本发明提供一种新型的中低温管式复合相变材料制备方法以及基于该方法制备得到的新型管式碳纤维基无机盐和管式碳纤维基有机物中低温复合相变材料。该新型管式复合相变材料易于成型和构筑中低温流体流道(水、空气、蒸汽等)，具有较高的热导率，同时避免相变材料的流失，且具有优良的物理化学稳定性，较传统相变材料有更强的耐腐蚀性能，便于实际应用。

本发明采取以下制备方法制取中低温管式碳纤维基有机物(无机盐)复合相变材料：用微米级碳纤维、水和粘结剂制成微米级均匀浆料，将浆料倒入模具中，采用高速离心制取碳纤维管坯；待管坯干燥后取出，将该碳纤维基体浸于有机物或无机盐相变材料中，将熔融有机物或无机盐相变材料完全浸渗于多孔径碳纤维管中，并缓慢移出冷却；将冷却后的浸渗碳纤维管内表面用成膜剂进行离心封装，干燥后用挤压成膜剂的方法在外表面成膜封装，干燥固化后制备得到管式碳纤维基有机物或无机盐中低温复合相变材料。

如图1所示，中低温管式碳纤维复合相变材料制备方法的具体步骤包括(以制备碳纤维基-有机物复合相变材料为例)：

步骤1：将碳纤维、水和粘结剂配制成碳纤维浆料，利用高速离心法制备碳纤维管坯，干燥后得到多孔碳纤维管；

具体为：将微米级或微米级以下的碳纤维制备材料粉体与一定比例的水和粘结剂(如聚乙烯醇等)混合，配制成微米级均匀碳纤维浆料；其中，碳纤维质量分数为50％～60％，PVA粘结剂质量分数3％～5％；将浆料倒入干燥后且涂有脱模剂的模具中并密封好，水平固定于离心机的转轴上，经过高速离心后，倒出管中剩余液体，制得管坯，将管坯置于恒温恒湿环境下进行完全干燥得到多孔碳纤维管；高速离心的转速为3000r/min～10000r/min，转速越大制备的管坯的孔隙率越小，本申请选用的转速制得的碳纤维管的孔径大小是最适宜的；恒温恒湿的干燥环境具体为：温度60℃～80℃，相对湿度50％～60％。

步骤2：在加热条件下，将熔融的有机物相变材料浸渍于多孔碳纤维管中，并冷却，得到碳纤维管基有机物复合相变材料；加热条件下具体指加热至相变材料全部熔融成均匀液相；有机物相变材料可以是硬脂酸、石蜡等。

具体为：根据所需的相变温度，选择合适的中低温有机相变材料，并熔于刚玉容器中，将干燥后的碳纤维基体浸于熔融有机相变材料中，保证完全浸渗；将完全浸渗后的碳纤维管缓慢移出熔融有机物并于室温下冷却，防止热应力开裂，得到碳纤维管基有机物复合相变材料；

碳纤维管基有机物复合相变材料中有机物相变材料的量和碳纤维管的整体质量达到比较优化的比例，使得碳纤维基-有机物复合相变材料的储热能力达到最大；

步骤3：对碳纤维管基有机物复合相变材料进行成膜剂修饰封装，并干燥；

具体为：将少量成膜剂倒入碳纤维管中，经高速离心后，进行完全干燥。干燥温度为60℃～120℃，温度决定干燥速度和成膜硬度；成膜剂可以是硅胶；利用成膜剂对管式碳纤维基内表面(管内壁)进行修饰，避免了相变材料在加工和使用过程中的流失，同时使其具有较好的物理化学稳定性；

步骤4：取下模具，对修饰后复合相变材料的外表面(管外壁)进行密封，密封层为成膜剂制成的薄膜，得到最终的碳纤维基-有机物复合相变材料。成膜剂的种类可以是硅胶和环氧树脂等。

本发明的制备方法，采用管式碳纤维基熔融浸渗代替机械混合烧结压制和堆状蜂窝体浸渍，便于构筑流道，更有利于中低温流体余热回收利用。

制备碳纤维基-无机盐复合相变材料时，其制备过程与碳纤维基-有机物复合相变材料相同，不同之处在于步骤2中的有机物改为无机盐，即可制得管式碳纤维基-无机盐中低温复合相变材料。有机物/无机盐是根据相变温度需要所选取的单一的有机物/无机盐，也可以是多种有机物/无机盐的混合物，以满足中低温余热回收利用。无机盐相变材料可以是三水乙酸钠、六水氯化镁等。

在上述制备方法中，选取不同温度的无机盐或有机物相变材料，可以制备得到不同温度分布的管式碳纤维基无机盐/有机物中低温复合相变材料，用于中低温余热的回收利用。管式碳纤维基无机盐/有机物中低温复合相变材料的横向和纵向截面图分别如图2(a)和图2(b)所示。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：(1)管式碳纤维基复合相变材料，可通过调整离心转速调整碳纤维基孔隙率大小，获得丰富的微纳孔道结构，有机/无机相变材料可以在毛细空隙作用下，充分浸润；(2)碳纤维基复合相变材料，可通过复合热导率较高的碳纤维材料，改善有机物相变材料的低热导率问题，且可通过微纳孔道和异相成核改善无机相变材料相分离和过冷度大的问题；(3)管式碳纤维基复合有机/无机相变材料具有较好的密封性，可以将有机物或无机盐中低温相变材料完全密封于多孔碳纤维管壁中，具有较高的热稳定性和机械稳定性；(4)管式碳纤维基复合有机/无机相变材料，碳纤维基和成膜剂(如硅胶)具有优良的物理化学稳定性，具有较强的耐腐蚀能力；(5)针对管式碳纤维基复合有机/无机相变材料，采用陶瓷替代碳纤维，高温无机盐/金属相变材料替代中低温无机盐/有机物相变材料，釉替代硅胶成膜剂，可经高温烧结制备管式陶瓷基复合无机盐/金属高温相变材料；(6)相对于传统的堆式相变材料，管式碳纤维基复合有机/无机相变材料，或采用该工艺制备的管式陶瓷基复合无机盐/金属高温相变材料，更易于构筑流道，便于汽、液流体流动换热；(7)通过该工艺可制备得到具有不同相变温度的管式复合相变材料，共同点在于具有以上所述优势，不同点在于根据需要应用于低温、中温和高温的不同应用领域，满足于可再生能源和工业废热的利用(如家用太阳能蓄热系统、工业蓄热燃烧系统等)(8)与传统相变材料制备工艺相比，本方式制备的管式碳纤维基复合有机/无机相变材料，具有工艺简单可靠，成本低等特点。

以上对本申请实施例所提供的一种中低温管式碳纤维复合相变材料及其制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (9)

1.一种中低温管式碳纤维复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤包括：

S1、用碳纤维、水和粘结剂配制成碳纤维浆料；碳纤维质量分数为50%~60%，粘结剂质量分数为3%~5%；

S2、将碳纤维浆料置于模具中进行离心，制备碳纤维管坯并干燥，得到多孔碳纤维管；

S3、将多孔碳纤维管浸入有机物或无机盐相变材料中，使有机物或无机盐相变材料完全浸渗入多孔碳纤维管中，冷却得到碳纤维管基有机物或无机盐复合相变材料；

S4、利用成膜剂对碳纤维管基有机物或无机盐复合相变材料的表面进行修饰和封装，得到最终的管式碳纤维复合相变材料。

2.根据权利要求1所述的中低温管式碳纤维复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述S1中使用的碳纤维为微米级以下碳纤维粉体。

3.根据权利要求1所述的中低温管式碳纤维复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述S2的具体内容为：将碳纤维浆料倒入干燥且涂有脱模剂的模具中并密封，将模具水平固定于离心机的转轴上进行离心，倒出管中剩余液体，制得碳纤维管坯，对碳纤维管坯进行干燥得到多孔碳纤维管。

4.根据权利要求3所述的中低温管式碳纤维复合相变材料的制备方法，其特征在于，对碳纤维管坯进行干燥具体为：将碳纤维管坯置于恒温恒湿环境下进行完全干燥。

5.根据权利要求1所述的中低温管式碳纤维复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述S3的具体内容为：在加热条件下，将多孔碳纤维管浸入熔融状态的有机物或无机盐相变材料中进行完全浸渗，将完全浸渗后的多孔碳纤维管缓慢移出熔融状态的有机物或无机盐相变材料，并置于室温下冷却。

6.根据权利要求1所述的中低温管式碳纤维复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述S4中对碳纤维管基有机物或无机盐复合相变材料的表面进行修饰和封装的过程包括对内表面和外表面分别进行的修饰和封装；

对内表面进行修饰和封装的过程为：将成膜剂倒入碳纤维管中，并在离心机的作用下进行离心，并干燥，完成对碳纤维管内表面的修饰和封装；

对外表面进行修饰和封装的过程为：在碳纤维管的外表面涂覆成膜剂并进行滚压，使成膜剂在碳纤维管的外表面形成薄膜，实现修饰和封装。

7.根据权利要求1所述的中低温管式碳纤维复合相变材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇；所述成膜剂为硅胶或环氧树脂。

8.一种中低温管式碳纤维复合相变材料，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的制备方法制备；

所述管式碳纤维复合相变材料包括多孔碳纤维管、浸渗于碳纤维管壁孔中的有机物或无机盐相变材料和设于碳纤维管内外表面的密封层；所述密封层的材质为成膜剂。

9.根据权利要求8所述的中低温管式碳纤维复合相变材料，其特征在于，所述有机物或无机盐相变材料为：单一种类的有机物或无机盐，或多种有机物的混合物，或多种无机盐的混合物。

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