CN113881403B - 一种复合相变材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合相变材料及其制备方法与应用。本发明的复合相变材料包括以下质量份的组分：甘露醇：75份～95份；无机钾盐：5份～25份；膨胀石墨：5份～15份；甘露醇和无机钾盐合计100份。本发明的复合相变材料的制备方法包括以下步骤：1)将无机钾盐和甘露醇混合后加热至完全熔化，得到熔融混合物；2)将膨胀石墨加入熔融混合物中，进行真空静置，即得复合相变材料。本发明的复合相变材料的相变温度为130℃～146℃，弥补了现有相变材料在100℃～150℃的温区空白，扩宽了使用范围，且其稳定性好、相变焓值高、热导率较高、制备工艺简单，可以用于中温热存储、工业余热回收等领域。
Description
技术领域
本发明涉及相变储能材料技术领域，具体涉及一种复合相变材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着经济的高速发展，能源危机和环境污染问题凸显，“低碳”和“节能”是发展趋势，为实现“碳达峰”和“碳中和”的目标，从源头上减少碳排放以及开发可再生能源是解决问题的根本所在。太阳能具有来源广泛、无需开采、清洁且对环境友好等优点，是一种应用前景十分广阔的可再生能源，将其高效利用起来可以大大减少人们对化石能源的依赖。然而，太阳能的利用往往在时间与空间上存在着的供需矛盾，相变储能技术的发展与应用可以有效解决这一问题，提高太阳能的利用效率。目前，研究较多的相变材料是低温相变材料，其应用范围有限，而适用于中温储热的相变材料仅有糖醇、少部分水合物和氯化物等，无法满足中温储热的实际应用需求。
因此，亟需开发一种相变焓值高、热导率较高、适用于中温储热的相变材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合相变材料及其制备方法与应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种复合相变材料，其包括以下质量份的组分：
甘露醇：75份～95份；
无机钾盐：5份～25份；
膨胀石墨：5份～15份；
甘露醇和无机钾盐合计100份。
优选的，一种复合相变材料，其包括以下质量份的组分：
甘露醇：80份～90份；
无机钾盐：10份～20份；
膨胀石墨：5份～15份；
甘露醇和无机钾盐合计100份。
优选的，所述无机钾盐为KBr、KCl、KNO3中的至少一种。
优选的，所述膨胀石墨的粒径≤250μm，膨胀率≥99％。
上述复合相变材料的制备方法包括以下步骤：
1)将无机钾盐和甘露醇混合后加热至完全熔化，得到熔融混合物；
2)将膨胀石墨加入熔融混合物中，进行真空静置，即得复合相变材料。
优选的，步骤1)所述加热在150℃～170℃下进行，加热时间为1h～2h。
优选的，步骤1)所述加热的过程中进行磁力搅拌。
优选的，步骤2)所述真空静置在150℃～170℃下进行，静置时间为4h～7h。
优选的，步骤2)所述真空静置过程中进行间歇式搅拌，每搅拌5min～10min后停止搅拌1h～2h。
本发明的有益效果是：本发明的复合相变材料的相变温度为130℃～146℃，弥补了现有相变材料在100℃～150℃的温区空白，扩宽了使用范围，且其稳定性好、相变焓值高、热导率较高、制备工艺简单，可以用于中温热存储、工业余热回收等领域。
具体来说：
1)本发明的复合相变材料的相变温度为130℃～146℃，低于甘露醇的相变温度162℃～166℃，弥补了现有相变材料在100℃～150℃的温区空白，扩宽了使用范围；
2)本发明的复合相变材料的导热系数可达7.7W/(m·K)，远高于甘露醇的0.6W/(m·K)；
3)本发明的复合相变材料的光热转换率可达42.7％，远高于甘露醇的27.4％，提高了太阳能的利用率；
4)本发明的复合相变材料中添加有导热基质膨胀石墨，其不仅可以提高相变材料的热导率，而且还可以在解决相变材料固-液转化过程中的泄漏问题的同时提高相变材料的光能转换性能，提高太阳能的利用率；
5)本发明的复合相变材料的制备方法简单、制备条件温和，适合进行大规模工业化生产。
附图说明
图1为实施例1的复合相变材料和溴化钾-甘露醇共熔材料的差示扫描量热图。
图2为实施例1的复合相变材料和膨胀石墨的SEM图。
图3为实施例1的复合相变材料和溴化钾-甘露醇共熔材料的TGA曲线。
图4为实施例1的复合相变材料和溴化钾-甘露醇共熔材料在模拟太阳光下温度随时间变化曲线。
图5为实施例1的复合相变材料的导热系数测试结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种复合相变材料，其制备方法包括以下步骤：
1)将20g的溴化钾(KBr)和80g的甘露醇(Man)混合，升温至160℃磁力搅拌2h，得到熔融混合物；
2)将10g粒径为200μm、膨胀率为99％的膨胀石墨加入熔融混合物中，在真空箱中160℃静置7h，静置过程中进行间歇式搅拌，每搅拌10min后停止搅拌1h，即得复合相变材料。
性能测试：
1)本实施例的复合相变材料(记为EG/KBr-Man)和溴化钾-甘露醇共熔材料(由溴化钾和甘露醇按照质量比1:9组成，记为EG/Man)的差示扫描量热图如图1所示。
由图1可知：本实施例的复合相变材料的相变温度为146℃，相变潜热为220J/g，而溴化钾-甘露醇共熔材料的相变温度为142.87℃，相变潜热为234.5J/g。
2)本实施例的复合相变材料和膨胀石墨的扫描电镜(SEM)图如图2(a为膨胀石墨，b为复合相变材料)所示。
由图2可知：膨胀石墨为多孔片层状结构，可以看到明显的空隙，而膨胀石墨吸附共熔相变材料后片层间被相变材料填满。
3)本实施例的复合相变材料(记为EG/KBr-Man)和溴化钾-甘露醇共熔材料(由溴化钾和甘露醇按照质量比1:9组成，记为EG/Man)的热失重(TGA)曲线如图3所示。
由图3可知：复合相变材料和溴化钾-甘露醇共熔材料均在260℃左右开始失重，360℃左右分解完成，溴化钾-甘露醇共熔材料分解完成后残留物为溴化钾，质量占比约为22％，接近溴化钾-甘露醇共熔材料中溴化钾的添加比例，复合相变材料分解完成后残留物为溴化钾和膨胀石墨，质量占比约为30％，与原料添加比基本一致。
4)将本实施例的复合相变材料(记为EG/KBr-Man)和溴化钾-甘露醇共熔材料(由溴化钾和甘露醇按照质量比1:9组成，记为EG/Man)作为测试样品，采用AM1.5模拟太阳光进行照射，再用热电偶测量样品温度随照射时间的变化，得到的在模拟太阳光下温度随时间变化曲线如图4所示，并通过如下公式计算样品的光热转换率：
η＝m(ΔH+Q)/P·S·Δt，
式中，m为样品质量，ΔH为样品的相变焓，Q为样品的显热，P为模拟太阳光的光照强度，S为样品的面积，Δt为照射时间。
由图4可知：本实施例的复合相变材料在模拟太阳光下光转换率为42.7％，而溴化钾-甘露醇共熔材料为27.4％。
5)本实施例的复合相变材料的导热系数测试结果图如图5所示。
由图5可知：本实施例的复合相变材料在10kN、20kN和30kN的压力下的导热系数分别为4.9W/(m·K)、5.4W/(m·K)和7.7W/(m·K)。
实施例2：
一种复合相变材料，其制备方法包括以下步骤：
1)将10g的溴化钾和90g的甘露醇混合，升温至170℃磁力搅拌2h，得到熔融混合物；
2)将10g粒径为200μm、膨胀率为99％的膨胀石墨(EG)加入熔融混合物中，在真空箱中170℃静置6h，静置过程中进行间歇式搅拌，每搅拌5min后停止搅拌1h，即得复合相变材料。
经测试，本实施例的复合相变材料的相变温度为142℃，相变潜热为197J/g，在模拟太阳光下光转换率为33.2％。
实施例3：
一种复合相变材料，其制备方法包括以下步骤：
1)将20g的溴化钾和80g的甘露醇混合，升温至160℃磁力搅拌2h，得到熔融混合物；
2)将15g粒径为220μm、膨胀率为99％的膨胀石墨加入熔融混合物中，在真空箱中155℃静置5h，静置过程中进行间歇式搅拌，每搅拌10min后停止搅拌1h，即得复合相变材料。
经测试，本实施例的复合相变材料的相变温度为138℃，相变潜热为186J/g，在模拟太阳光下光转换率为42.0％。
实施例4：
一种复合相变材料，其制备方法包括以下步骤：
1)将15g的氯化钾和85g的甘露醇混合，升温至165℃磁力搅拌2h，得到熔融混合物；
2)将10g粒径为240μm、膨胀率为99％的膨胀石墨加入熔融混合物中，在真空箱中165℃静置5.5h，静置过程中进行间歇式搅拌，每搅拌7min后停止搅拌1h，即得复合相变材料。
经测试，本实施例的复合相变材料的相变温度为134℃，相变潜热为180J/g，在模拟太阳光下光转换率为38.2％。
实施例5：
一种复合相变材料，其制备方法包括以下步骤：
1)将15g的氯化钾和85g的甘露醇混合，升温至150℃磁力搅拌2h，得到熔融混合物；
2)将10g粒径为180μm、膨胀率为99％的膨胀石墨加入熔融混合物中，在真空箱中150℃静置6h，静置过程中进行间歇式搅拌，每搅拌5min后停止搅拌1h，即得复合相变材料。
经测试，本实施例的复合相变材料的相变温度为132℃，相变潜热为170J/g，在模拟太阳光下光转换率为38.0％。
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 (2)
1.一种复合相变材料，其特征在于，其包括以下质量份的组分：
1)将20g的溴化钾和80g的甘露醇混合，升温至160℃磁力搅拌2h，得到熔融混合物；
2)将10g粒径为200μm、膨胀率为99％的膨胀石墨加入熔融混合物中，在真空箱中160℃静置7h，静置过程中进行间歇式搅拌，每搅拌10min后停止搅拌1h，即得复合相变材料；
或者，
1)将20g的溴化钾和80g的甘露醇混合，升温至160℃磁力搅拌2h，得到熔融混合物；
2)将15g粒径为220μm、膨胀率为99％的膨胀石墨加入熔融混合物中，在真空箱中155℃静置5h，静置过程中进行间歇式搅拌，每搅拌10min后停止搅拌1h，即得复合相变材料。
2.权利要求1所述的复合相变材料在热存储或工业余热回收中的应用。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Preparation and thermal energy storage properties of D-Mannitol/expanded graphite composite phase change material;Tao Xu;《Solar Energy Materials & Solar Cells》;20160609(第155期);第141-146页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113881403A (zh) | 2022-01-04 |
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