CN112280537A - 一种电控复合相变材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电控复合相变材料及其制备方法与应用。所述电控复合相变材料的制备方法为：将84～90份三水合醋酸钠、7～10份去离子水、1～7份膨胀石墨和0.5～1份增稠剂在水浴加热、搅拌处理的条件下制成电控复合相变材料；所述的应用包括：将电控复合相变材料装入由触发电极、试管和橡胶塞组成的电控相变单元中，再次加热并冷却至室温后即可电控触发释能。本发明所述电控复合材料在不改变材料原有稳定过冷、电控触发的基础上，增加了热导率，改善了相分离，从而拓宽了电控复合相变材料的应用范围。

Description

一种电控复合相变材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于相变储能材料领域，具体涉及一种电控复合相变材料及其制备方法与应用。
背景技术
能源的需求关系着人类社会可持续的发展，进入21世纪以来，随着传统能源领域面临了诸多困难，开发和利用新能源成为了最迫切的需求。通常，新能源包括太阳能、风能、地热能、生物质能等等。同时，储能和释能技术的发展，提高能源的有效利用也同样具有重大意义。
储存太阳能的方式有显热储能、潜热储能和化学方法储能三种，在相变储能技术是利用相变材料在相变过程中的吸热和放热来储存和释放能量，属于潜热储能，具有储能密度大、储能过程损耗小、温度稳定等特点。
相变材料按照组成成分来分类主要可以分为无机相变材料和有机相变材料两大类，其中无机水和盐相变材料由于其价格低廉、相变温度适中、相变潜热大，在许多领域中都有广泛的应用。同时也存在一些缺点，包括了过冷度大、热导率低、易产生相分离。
申请号为CN110173907A的中国发明专利申请提出一种可控相变材料包的制备方法和应用，这种可控相变材料包主要由相变材料和金属棒构成，处于过冷状态的相变材料不会自发结晶，需要通入1-2V的电压触发释能。然而由于三水合醋酸钠热导率低的原因，快速及时的家庭用热需求比较难得到满足，应用具有局限性。因此提供一种具有高热导率，但不改变稳定过冷、电控触发的复合相变材料，具有非常重要的意义。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种电控复合相变材料，该材料具有相变可控、过冷度大、无相分离且具有很好导热性能。
本发明的另一目的在于提供上述一种电控复合相变材料的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述一种电控复合相变材料的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种电控复合相变材料，由以下重量组分组成：
Figure BDA0002730265820000021
优选地，所述增稠剂为羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和聚丙烯酸钠中的至少一种。
上述一种电控复合相变材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将三水合醋酸钠、去离子水倒入容器中，加热并搅拌均匀至完全溶解，得到过饱和相变储能溶液；
(2)将膨胀石墨、增稠剂加入到步骤(1)的过饱和相变储能溶液中，继续加热并搅拌处理，冷却至室温，得到所述电控复合相变材料。
优选地，步骤(1)和(2)所述加热的温度均为70～80℃，步骤(2)所述加热的时间为2～3h。
优选地，步骤(1)和(2)所述加热均采用水浴加热。
上述一种电控复合相变材料的应用。
所述一种电控复合相变材料的应用，包括以下步骤：
(1)金属棒经过表面处理后得到具有粗糙表面的金属棒，然后在粗糙金属棒表面嵌入相变材料晶体，得到触发电极；
(2)将处于加热融化状态的电控复合相变材料倒入电控相变单元中，再进行加热处理，冷却至室温；
(3)在电控相变单元的触发电极之间施加电压，即可触发相变释能。
步骤(1)所得触发电极即为步骤(3)中电控相变单元的触发电极。
优选地，步骤(1)所述金属棒为银棒，所述表面处理为砂纸打磨，所述相变材料晶体为三水合醋酸钠晶体粉末。
更优选地，步骤(1)所述触发电极由以下方法制得：用砂纸打磨长度5cm、直径2mm的银棒，并在银棒粗糙表面嵌入三水合醋酸钠晶体粉末。
优选地，步骤(2)所述加热处理温度为70～80℃，时间为2～3h。
优选地，步骤(2)所述电控相变单元，由试管、橡胶塞与两根触发电极组成，其中两根触发电极穿过橡胶塞通入到试管中，橡胶塞塞住试管，两根触发电极连接外电源。
优选地，步骤(3)所述电压为1～2V。
本发明通过添加膨胀石墨和增稠剂得到高热导率和无相分离的电控复合相变材料；由于适量的膨胀石墨使得相变材料包裹于碳骨架中，不会影响相变材料的稳定过冷，且不改变电控触发的特性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明制备的电控复合相变材料具有保持过饱和相变储能溶液稳定过冷、可控相变的基础上，具有无相分离、热导率高等特点。
(2)本发明所述电控复合相变材料的制备方法和应用步骤简单、成本低。
(3)本发明所述电控复合相变材料的原材料无毒无害。
附图说明
图1为本发明所述电控复合相变材料的可控相变单元示意图。
图2为本发明实施例1中电控复合相变材料应用过程中的温度-时间图。
图3为本发明实施例2中电控复合相变材料应用过程中的温度-时间图。
图4为本发明实施例3中电控复合相变材料应用过程中的温度-时间图。
图5为本发明实施例4中电控复合相变材料应用过程中的温度-时间图。
图6为本发明对比例1中复合相变材料应用过程中的温度-时间图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明电控相变单元由试管、橡胶塞与两根触发电极组成，其中两根触发电极穿过橡胶塞通入到试管中，两根触发电极相距1cm，橡胶塞塞住试管，两根触发电极连接外电源。
以下实施例及对比例所用的重量份数，作为举例，一份重量可以为1g，也可以是本领域常用的任意其他用量。
实施例1
一种电控复合相变材料，由以下重量份(克)的原料组成：三水合醋酸钠86份，去离子水9.5份，膨胀石墨4份，羧甲基纤维素0.5份。
一种电控复合相变材料的制备，包括以下步骤：
(1)将86g三水合醋酸钠、9.5g去离子水倒入容器中，用70℃的水浴锅加热、搅拌均匀至完全溶解，得到过饱和相变储能溶液；
(2)将4g膨胀石墨、0.5g羧甲基纤维素加入到步骤(1)所述过饱和相变储能溶液中，继续70℃水浴加热处理并搅拌3h，冷却至室温，得到电控复合相变材料。
一种电控复合相变材料的应用，包括以下步骤：
(1)长度5cm、直径2mm的银棒经过砂纸打磨后，然后在粗糙银棒表面嵌入三水合醋酸钠晶体粉末，得到触发电极，由试管、橡胶塞与触发电极组成电控相变单元。
(2)将处于加热融化状态的电控复合相变材料倒入电控相变单元中，再用70℃水浴锅加热处理3h，冷却至室温。
(3)在触发电极之间施加1V电压，即可触发相变释能。
对实例1所得到的三水合醋酸钠/膨胀石墨可控复合相变材料进行热导率测试，其热导率为0.6358W/m·K。
实施例1所制得的电控复合相变材料应用过程中的温度-时间图，如图2所示，说明：添加4g膨胀石墨的复合相变材料在加热完毕，冷却至室温的过程中不会自发相变释能，能够在室温下稳定过冷，在6h左右施加1V电压触发相变释能。
实施例2
一种电控复合相变材料，由以下重量份(克)的原料组成：三水合醋酸钠84份，去离子水8份，膨胀石墨7份，羧甲基纤维素1份。
一种电控复合相变材料的制备，包括以下步骤：
(2)将84g三水合醋酸钠、8g去离子水倒入容器中，用80℃的水浴锅加热、搅拌均匀至完全溶解，得到过饱和相变储能溶液；
(2)将7g膨胀石墨、1g羧甲基纤维素加入到步骤(1)所述过饱和相变储能溶液中，继续80℃水浴加热处理并搅拌3h，冷却至室温，得到电控复合相变材料。
一种电控复合相变材料的应用，包括以下步骤：
(1)2mm银棒经过砂纸打磨后，然后在粗糙银棒表面嵌入三水合醋酸钠晶体粉末，得到触发电极，由试管、橡胶塞与触发电极组成电控相变单元。
(2)将处于加热融化状态的电控复合相变材料倒入电控相变单元中，再用80℃水浴锅加热处理3h，冷却至室温。
(3)在触发电极之间施加1.5V电压，即可触发相变释能。
对实例2所得到的三水合醋酸钠/膨胀石墨可控复合相变材料进行热导率测试，其热导率为0.8170W/m·K。
实施例2所制得的电控复合相变材料应用过程中的温度-时间图，如图3所示。
实施例3
一种电控复合相变材料，由以下重量份(克)的原料组成：三水合醋酸钠88份，去离子水7份，膨胀石墨4份，羧甲基纤维素钠1份。
一种电控复合相变材料的制备，包括以下步骤：
(3)将88g三水合醋酸钠、7g去离子水倒入容器中，用80℃的水浴锅加热、搅拌均匀至完全溶解，得到过饱和相变储能溶液；
(2)将4g膨胀石墨、1g羧甲基纤维素钠加入到步骤(1)所述过饱和相变储能溶液中，继续80℃水浴加热处理并搅拌2h，冷却至室温，得到电控复合相变材料。
一种电控复合相变材料的应用，包括以下步骤：
(1)长度5cm、直径2mm银棒经过砂纸打磨后，然后在粗糙银棒表面嵌入三水合醋酸钠晶体粉末，得到触发电极，由试管、橡胶塞与触发电极组成电控相变单元。
(2)将处于加热融化状态的电控复合相变材料倒入电控相变单元中，再用80℃水浴锅加热处理2h，冷却至室温。
(3)在触发电极之间施加0.8V电压，即可触发相变释能。
对实例3所得到的三水合醋酸钠/膨胀石墨可控复合相变材料进行热导率测试，其热导率为0.6752W/m·K。
实施例3所制得的电控复合相变材料应用过程中的温度-时间图，如图4所示，说明：添加4g膨胀石墨的复合相变材料在加热完毕，冷却至室温的过程中不会自发相变释能，能够在室温下稳定过冷，在7h左右施加0.8V电压触发相变释能。
实施例4
一种电控复合相变材料，由以下重量份(克)的原料组成：三水合醋酸钠89.5份，去离子水9份，膨胀石墨1份，羧甲基纤维素0.5份。
一种电控复合相变材料的制备，包括以下步骤：
(4)将89.5g三水合醋酸钠、9g去离子水倒入容器中，用70℃的水浴锅加热、搅拌均匀至完全溶解，得到过饱和相变储能溶液；
(2)将1g膨胀石墨、0.5g羧甲基纤维素钠加入到步骤(1)所述过饱和相变储能溶液中，继续70℃水浴加热处理并搅拌2h，冷却至室温，得到电控复合相变材料。
一种电控复合相变材料的应用，包括以下步骤：
(1)长度5cm、直径2mm银棒经过砂纸打磨后，然后在粗糙银棒表面嵌入三水合醋酸钠晶体粉末，得到触发电极，由试管、橡胶塞与触发电极组成电控相变单元。
(2)将处于加热融化状态的电控复合相变材料倒入电控相变单元中，再用70℃水浴锅加热处理2h，冷却至室温。
(3)在触发电极之间施加0.8V电压，即可触发相变释能。
对实施例4所得到的三水合醋酸钠/膨胀石墨可控复合相变材料进行热导率测试，其热导率为0.5644W/m·K。
实施例4所制得的电控复合相变材料应用过程中的温度-时间图，如图5所示，说明：添加1g膨胀石墨的复合相变材料在加热完毕，冷却至室温的过程中不会自发相变释能，能够在室温下稳定过冷，在5h左右施加0.8V电压触发相变释能。
对比例1
一种复合相变材料，由以下重量份(克)的原料组成：三水合醋酸钠86份，去离子水9.5份，石墨4份，羧甲基纤维素0.5份。
一种复合相变材料的制备，包括以下步骤：
(1)将86g三水合醋酸钠、9.5g去离子水倒入容器中，用70℃的水浴锅加热、搅拌均匀至完全溶解，得到过饱和相变储能溶液；
(2)将4g石墨、0.5g羧甲基纤维素加入到步骤(1)所述过饱和相变储能溶液中，继续70℃水浴加热处理并搅拌3h，冷却至室温，得到电控复合相变材料。
一种复合相变材料的应用，包括以下步骤：
(1)长度5cm、直径2mm的银棒经过砂纸打磨后，然后在粗糙银棒表面嵌入三水合醋酸钠晶体粉末，得到触发电极，由试管、橡胶塞与触发电极组成电控相变单元。
(2)将处于加热融化状态的电控复合相变材料倒入电控相变单元中，再用70℃水浴锅加热处理3h，冷却至室温。
对比例1所制得的复合相变材料应用过程中的温度-时间图，如图6所示。说明：添加4g石墨的复合相变材料在加热完毕，冷却至室温的过程中会自发相变释能，不能够在室温下稳定过冷，无法施加电压触发释能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电控复合相变材料，其特征在于，由以下重量组分组成：
Figure FDA0002730265810000011
2.根据权利要求1所述一种电控复合相变材料，其特征在于，所述增稠剂为羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和聚丙烯酸钠中的至少一种。
3.权利要求1或2所述一种电控复合相变材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将三水合醋酸钠、去离子水倒入容器中，加热并搅拌均匀至完全溶解，得到过饱和相变储能溶液；
(2)将膨胀石墨、增稠剂加入到步骤(1)的过饱和相变储能溶液中，继续加热并搅拌处理，冷却至室温，得到所述电控复合相变材料。
4.根据权利要求3所述一种电控复合相变材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(2)所述加热的温度均为70～80℃，步骤(2)所述加热的时间为2～3h。
5.权利要求1和2所述一种电控复合相变材料的应用。
6.根据权利要求5所述一种电控复合相变材料的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(1)金属棒经过表面处理后得到具有粗糙表面的金属棒，然后在粗糙金属棒表面嵌入相变材料晶体，得到触发电极；
(2)将处于加热融化状态的电控复合相变材料倒入电控相变单元中，再进行加热处理，冷却至室温；
(3)在电控相变单元的触发电极之间施加电压，即可触发相变释能。
7.根据权利要求6所述一种电控复合相变材料的应用，其特征在于，步骤(1)所述相变材料晶体为三水合醋酸钠晶体粉末，所述金属棒为银棒，所述表面处理为砂纸打磨。
8.根据权利要求6所述一种电控复合相变材料的应用，其特征在于，步骤(2)所述加热处理温度为70～80℃，时间为2～3h。
9.根据权利要求6所述一种电控复合相变材料的应用，其特征在于，步骤(3)所述电压为1～2V。
10.根据权利要求6所述一种电控复合相变材料的应用，其特征在于，步骤(2)所述电控相变单元，由试管、橡胶塞与两根触发电极组成，其中两根触发电极穿过橡胶塞通入到试管中，橡胶塞塞住试管，两根触发电极连接外电源。
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