CN111718690B - 一种复合储能材料的制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合储能材料的制备方法。该制备方法结合溶胶凝胶法和真空浸渍法，首先从含硅物质中提取的硅氧化合物为支撑载体，并在其中加入碳导热添加剂，混合均匀，然后，在真空条件下浸渗封装有机相变材料，定型合成一种复合相变储能材料。本方法合成的复合材料对有机相变材料进行了良好封装，有效解决了泄露问题；同时又具有相变潜热稳定、稳定性好的优点；此外碳导热剂具有高导热性，大幅度增强了复合材料的导热性能，易于其在储能方面的应用。

Description

一种复合储能材料的制备和应用
技术领域
本发明属于一种可用作储能相变材料的碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料的制备方法，特别涉及在溶胶凝胶法合成多孔状硅氧化合物中添加碳导热剂，包覆有机相变材料的有机/无机复合相变材料制备方法。
背景技术
随着人类社会经济的不断发展及能源的大量消耗，节能与环保、新能源的开发利用以及提高能源利用已成为研究开发的重点，利用储能材料实现能量供应与需求的平衡，能有效提高能源利用效率，达到节能环保的目的，因此受到广泛关注。能源在开发﹑转换﹑运输和利用过程中，供需之间常常存在数量上﹑形态上和时间上的差异。能量储存技术利用特殊的装置和手段，在能量富余的时候把能量转化为自然条件下比较稳定的存在形式储存起来，在不足时释放出来，解决能量供求的间歇性和不匹配性的问题，可以显著提高能源的利用率，达到节能减排的目的。
相变储能技术广泛应用于各领域，相变储能材料的种类主要包括无机材料、有机材料和混合材料。这三类相变储能材料的作用效果存在本质上的差异，因此，选取相变储能材料应考虑经济价值和化学性质稳定性等。在众多相变材料中，有机类相变材料具有潜热高、热稳定性好、化学稳定性好、无毒、几乎没有过冷现象、价格低廉等优异特点。
本发明添加碳导热剂，与硅氧化合物复合为载体材料，浸渗封装定型有机相变材料，采用溶胶凝胶法和真空浸渍法结合可制得有机/无机复合相变材料。此产物相变材料含量高、相变焓高、导热效果好、热稳定性好，在储能方面能够发挥优异性能。
发明内容
发明提出了通过溶胶凝胶法从含硅原材料中提取硅氧化合物，添加碳导热添加剂，制备混合物为支撑载体，包覆封装有机相变材料，通过真空浸渍法合成一种碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料。
本发明合成碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料包括以下步骤：
(1)将含硅原材料与相应的碱液混合反应，形成硅酸盐溶胶，过滤。
(2)将所得滤液加入一定质量的碳导热剂，经超声处理，得混合溶液。
(3)将相应的酸与所得溶液反应，制得絮状沉淀，经过多次洗涤及减压抽滤，得碳导热剂/硅氧化合物，置于恒温干燥箱中干燥。
(4)将(3)中所得碳导热剂/硅氧化合物混合物与一定量有机相变材料在室温下混合，将此混合物置于真空干燥箱中真空浸渍，得到碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料。
进一步地，所制备碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料所采用的硅源之一为无机硅胶副产物、石英砂、干燥器废硅胶、硅树脂。
进一步地，所制备碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料所采用的含碳导热剂为石墨片、石墨粉、碳纳米管或膨胀石墨中的一种或多种。
进一步地，所制备碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料所采用的有机相变材料为十四酸、石蜡、正二十烷或十八醇中的一种或多种。
进一步地，所制备碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料所采用的酸为盐酸、冰乙酸或硫酸中的一种或多种，浓度介于20％～40％。
进一步地，所制备碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料所采用的强碱为氢氧化钠、或氢氧化钾、或碳酸钠、或碳酸钾中的一种或多种，纯度为分析纯。
进一步地，所述步骤(1)中调节的pH值为9～11，陈化时间1～5小时(h)。
进一步地，所述步骤(2)中碳导热剂和硅氧化合物的质量比为(1～10)：20。
进一步地，所述步骤(2)中碳导热剂经过超声处理的时间为30～90min。
进一步地，所述步骤(2)中制备硅氧化合物采用的pH值为4～6.5，陈化时间为1～5h.
进一步地，所述步骤(3)中制备碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料采用的恒温干燥箱温度介于50℃～100℃之间，干燥时间为3～6h。
进一步地，所述步骤(4)中制备碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料的真空干燥箱温度范围在70～100℃之间，真空浸渍时间为2～4.5h。
进一步地，所述碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料为灰色或灰黑色粉末。
本发明所涉及试剂价廉易得、操作条件要求低，所制备的碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料为块状或粉末状，具有无泄漏、导热性能好的特点。该产品可用作工业设备、建筑、电子器件等方面的储能相变材料。
本发明结合溶胶凝胶法和真空浸渍法，首先从含硅物质中提取的硅氧化合物为支撑载体，并在其中加入碳导热剂，混合均匀。然后，在真空条件下浸渗封装有机相变材料，定型合成一种复合相变储能材料。本方法合成的复合材料对有机相变材料进行了良好封装有效解决了泄漏问题；同时又具有相变潜热高、稳定性好的优点；此外由于碳导热剂的添加大幅度增强了复合材料的的导热性能，易于其在储能方面的应用。
附图说明
图1实施例1石墨片/硅氧化合物/石蜡复合相变材料的差示扫描量热曲线。
图2实施例1、2、3碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料的热导率曲线。
图3实施例3膨胀石墨/硅氧化合物/十四酸复合相变材料及十四酸的热失重曲线。
具体实施方式
实施例1
(1)取无机硅胶副产物4g，取30mL、6mol/L的NaOH溶液缓慢滴入至pH值达到10，降至室温，陈化4.5h，过滤。在滤液中加入1.3g石墨片，超声处理45min，使其均匀分散。
(2)在(1)得到混合溶液中滴加0.5M盐酸至pH值达到4.5，匀速搅拌，得灰色絮状沉淀。待沉淀陈化3h后，过滤、洗涤、减压抽滤、80℃条件下干燥，得石墨片/硅氧化合物混合物。
(3)将(2)得到的石墨片/硅氧化合物混合物与8g石蜡均匀混合，置于真空干燥箱中80℃真空浸渍4h。
本发明石墨片/硅氧化合物/石蜡复合相变材料为灰黑色粉末，其中封装石蜡质量百分数约占62％，其差示扫描量热曲线如图1所示，热导率曲线如图2所示，可以看出，石墨片/硅氧化合物/石蜡复合相变材料的热导率达到0.66W/m·K，明显优于石蜡热导率，增强了导热性能。
实施例2
(1)取干燥器废硅胶3g，取40mL、6mol/L的NaOH溶液缓慢滴入至pH值达到10，降至室温，陈化4.5h，过滤。在滤液中加入1.5g石墨片，超声处理45min，使其均匀分散。
(2)在(1)得到混合溶液中滴加0.5M盐酸至pH值达到4.5，匀速搅拌，得灰色絮状沉淀。待沉淀陈化3h后，过滤、洗涤、减压抽滤、80℃条件下干燥，得石墨片/硅氧化合物混合物。
(3)将(2)得到的石墨片/硅氧化合物混合物与8g石蜡均匀混合，置于真空干燥箱中80℃真空浸渍4h。
本发明石墨片/硅氧化合物/石蜡复合相变材料为灰黑色粉末，其封装石蜡质量百分数约占60％，热导率曲线如图2所示。可以看出，石墨片/硅氧化合物/石蜡复合相变材料的热导率达到1.46W/m·K，提高了导热性能。
实施例3
(1)取无机硅胶副产物3g，取40mL、6mol/L的NaOH溶液缓慢滴入至pH值达到10，降至室温，陈化4.5h，过滤。在滤液中加入0.6g膨胀石墨，超声处理45min，使其均匀分散。
(2)在(1)得到混合溶液中滴加0.5M盐酸至pH值达到4.5，匀速搅拌，得灰色絮状沉淀。待沉淀陈化3h后，过滤、洗涤、减压抽滤、80℃条件下干燥，得膨胀石墨/硅氧化合物混合物。
(3)将(2)得到的膨胀石墨/硅氧化合物混合物与7g十四酸均匀混合，置于真空干燥箱中80℃真空浸渍4h。
本发明膨胀石墨/硅氧化合物/十四酸复合相变材料为灰黑色粉末，其中封装十四酸质量百分数约占60％，热导率曲线如图2所示，热导率达到2.25W/m·K，大幅度增强导热性能。热失重曲线如图3所示，作为对比，图3同时给出了纯十四酸的热失重曲线。可以看出，膨胀石墨/硅氧化合物/十四酸复合相变材料的热分解性比纯十四酸表现出热滞后性，说明复合相变材料的热稳定性优于纯相变材料。

Claims (7)

1.一种复合储能材料的制备方法，其特征在于具有以下工艺步骤：
(1) 将碱液加入硅氧化合物的原料中，经反应、陈化、过滤得滤液；硅氧化合物的原料为工业无机硅胶副产物；
(2) 将碳导热剂加入到步骤(1)所得滤液中，超声处理，使其均匀分散；步骤(2)中碳导热剂为膨胀石墨；步骤(2)中碳导热剂和硅氧化合物的不同质量比为(1～10)：20；
(3) 与酸反应，加酸调节溶液的pH，陈化，过滤、洗涤、减压抽滤、干燥，制得碳导热剂/硅氧化合物的载体；
(4) 将步骤(3)碳导热剂/硅氧化合物与有机相变材料混合，室温下充分搅拌，使其混合均匀；将混合物置于真空干燥箱中真空浸渍数小时，制得碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合储能材料；步骤(4)中有机相变材料为十四酸、石蜡、正二十烷或十八醇中的一种或多种；
步骤(4)中制备碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合材料的真空干燥箱温度范围在70~100℃之间，真空浸渍时间为2~4.5h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所用的碱液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸钠中的一种或多种，特征浓度采用5~7mol/L之间，用以调节溶液的pH值为9~11之间，陈化时间为1~5h之间。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所用的酸为盐酸、冰乙酸、硫酸中的一种或多种，质量浓度采用20~50%之间，用以调节溶液的pH值控制在4~6.5之间，陈化时间为1~5h之间。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中制备碳导热剂/硅氧化合物的恒温干燥箱温度范围在50~100℃之间，干燥时间为3~6h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：；有机相变材料在混合物中的比例为60~80%。
6.一种权利要求1-5任一所述的制备方法制备获得的碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合储能材料，固态产品为灰色粉末或灰黑色粉末。
7.一种权利要求6所述的碳导热剂/硅氧化合物/有机相变复合储能材料的应用，其特征在于：产品用作储能相变材料。
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