CN115141606A - 一种低取向度储热材料、制备储热材料用组合物及储热材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储热材料技术领域,公开了一种低取向度储热材料、制备储热材料用组合物及储热材料制备方法,以所述储热材料的总质量计,所述储热材料包括37‑70wt%的鳞片石墨,13‑47wt%的连续相组分和15‑49wt%的球形粉体;其中,所述连续相组分包括碳组分或石墨组分,所述球形粉体的球度为0.8‑1,球形粉体粒径与鳞片石墨粒径的比值为0.3‑1;所述储热材料的垂直热导率/面向热导率的比值为0.3‑0.6,面向热导率为40‑80W/mK。本发明提供的储热材料具有取向度低,密度小且抗压强度好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及储热材料技术领域,具体涉及一种低取向度储热材料、制备储热材料用组合物及储热材料制备方法。
背景技术
现有储热炭材料一般由粘接剂(例如沥青)和填料(例如天然石墨)经过模压成型后烧结而成。由于天然石墨自身是取向结构,经历压制过程之后,天然石墨大范围的取向,得到的块体材料往往具有较强的各向异性,垂直热导率与面向热导率数值相差较大,二者比值一般小于0.2。较大的各向异性不利于储放热过程的温度传递和温度均匀性。
CN112110730A公开了一种储热材料用组合物和储热材料及其制备方法,该组合物包含沥青材料、石墨和无机矿物材料,以该储热材料用组合物的总重量为基准,沥青材料的含量为10-40重量%,所述石墨的含量为20-80重量%,所述无机矿物材料的含量为10-70重量%,其中,无机矿材料选自刚玉、镁砂、鋯英砂、钛铁矿、硅石或锐钛矿中的一种。该储热材料同时兼具较高的热导率、抗压强度和体积密度,但是,并没有解决储热材料取向度高的问题。
因此,亟待提供一种取向度低的储热材料。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的储热材料取向度高的问题,提供一种低取向度储热材料、制备储热材料用组合物及储热材料制备方法,该储热材料具有取向度低,密度小且抗压强度好的优点。
为了实现上述目的,本发明一方面提供了一种低取向度储热材料,其中,以所述储热材料的总质量计,所述储热材料包括37-70wt%的鳞片石墨,13-47wt%的连续相组分和15-49wt%的球形粉体;其中,所述连续相组分包括碳组分或石墨组分,所述球形粉体的球度为0.8-1,球形粉体粒径与鳞片石墨粒径的比值为0.3-1;所述储热材料的垂直热导率/面向热导率的比值为0.3-0.6,面向热导率为40-80W/mK。
本发明第二方面提供了一种制备低取向度储热材料用组合物,所述组合物包括35-65重量份的鳞片石墨、20-50重量份的沥青和15-45重量份的球形粉体;其中,所述球形粉体的球度为0.8-1,球形粉体粒径与鳞片石墨粒径的比值为0.3-1。
本发明第三方面提供了一种低取向度储热材料的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将包含鳞片石墨、沥青和球形粉体的组合物热压成型,得到成型材料;
(2)将所述成型材料进行碳化处理,得到储热材料I;
或者,进一步任选的(3)将所述储热材料I进行石墨化处理,得到储热材料II。
通过上述技术方案,本发明所取得的有益技术效果如下:
1)本发明所提供的低取向度储热材料的取向度低,垂直热导率/面向热导率的比值高于0.3,储热放热过程的温度传递稳定;
2)本发明所提供的低取向度储热材料的导热性好,密度小且抗压强度大,应用前景良好;
3)本发明所制备的低取向度储热材料的制备方法,操作简单,适合工业化推广。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供了一种低取向度储热材料,以所述储热材料的总质量计,所述储热材料包括37-70wt%的鳞片石墨,13-47wt%的连续相组分和15-49wt%的球形粉体;其中,所述连续相组分包括碳组分或石墨组分,所述球形粉体的球度为0.8-1,球形粉体粒径与鳞片石墨粒径的比值为0.3-1;所述储热材料的垂直热导率/面向热导率的比值为0.3-0.6,面向热导率为40-80W/mK。
在本发明中,发明人经过研究发现,将不同粒径的鳞片石墨和球形粉体分散在连续相石墨中,一方面可以抑制天然鳞片石墨取向,降低储热材料的取向度,另一方面可以提高储热材料的导热性能和抗压能力,得到具有取向度低,密度小且抗压强度好优点的储热材料。
在一个优选的实施方式中,以所述储热石墨的总质量计,所述储热石墨包括42-60wt%的鳞片石墨,15-40wt%的连续相组分和20-43wt%的球形粉体。
在一个优选的实施方式中,所述球形粉体的球度为0.9-1,球形粉体粒径与鳞片石墨粒径的比值为0.6-1。
在一个优选的实施方式中,所述储热材料的垂直热导率/面向热导率(λ⊥/λ∥)的比值为0.35-0.5,面向热导率为45-75W/mK。
在一个优选的实施方式中,所述球形粉体选自球形氧化铝、球形氮化铝、球形氧化镁、球形氧化锌、球形石墨、球形氮化硼、球形氧化钙、球形铜粉中的至少一种;进一步优选地,所述球形粉体选自球形氧化铝、球形氮化铝、球形氧化镁、球形氧化锌、球形石墨中的至少一种。
在一个优选的实施方式中,所述储热材料的密度为1.8-2.4g/cm3,优选为1.9-2.2g/cm3;抗压强度为20-70MPa,优选为30-50MPa。
本发明第二方面提供了一种制备低取向度储热材料用组合物,所述组合物包括35-65重量份的鳞片石墨、20-50重量份的沥青和15-45重量份的球形粉体;其中,所述球形粉体的球度为0.8-1,球形粉体粒径与鳞片石墨粒径的比值为0.3-1。
在一个优选的实施方式中,所述组合物包括40-55重量份的鳞片石墨、25-45重量份的沥青和20-35重量份的球形粉体,其中,所述球形粉体的球度为0.9-1,球形粉体粒径与鳞片石墨粒径的比值为0.6-1。
在一个优选的实施方式中,所述鳞片石墨的含碳量为90-100wt%,优选为95-100wt%。
在一个优选的实施方式中,所述沥青的软化点为130-350℃,优选为230-320℃,残炭率≥60wt%,优选≥70wt%,中间相含量为50-100wt%,优选为60-100wt%。
在一个优选的实施方式中,所述球形粉体的粒径为15-500μm,优选为25-300μm。
在一个优选的实施方式中,所述球形粉体选自球形氧化铝、球形氮化铝、球形氧化镁、球形氧化锌、球形石墨、球形氮化硼、球形氧化钙、球形铜粉中的至少一种;进一步优选地,所述球形粉体选自球形氧化铝、球形氮化铝、球形氧化镁、球形氧化锌、球形石墨中的至少一种。
在发明中,所述鳞片石墨、沥青和球形粉体均可以商购,其中,只要能够满足本发明限定的参数条件即可。例如,鳞片石墨的粒径150μm,含碳量99.5%;沥青的中间相含量为100wt%;软化点为275℃;残碳率75wt%;球形石墨的球度0.9,粒径130μm;球形氮化铝的球度1,粒径100μm等。
本发明第三方面提供了一种低取向度储热材料的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将包含鳞片石墨、沥青和球形粉体的组合物热压成型,得到成型材料;
(2)将所述成型材料进行碳化处理,得到储热材料I;
或者,进一步任选的(3)将所述储热材料I进行石墨化处理,得到储热材料II。
在一个优选的实施方式中,所述包含鳞片石墨、沥青和球形粉体的组合物为本发明第二方面所述的组合物。
在一个优选的实施方式中,所述热压成型的条件包括成型温度为250-600℃,优选为350-550℃;成型压力为10-100MPa,优选为50-85MPa,成型时间为0.5-4h,优选为1-2h。
在一个优选的实施方式中,所述碳化处理的条件包括:碳化温度为800-1600℃,优选为1000-1500℃;碳化时间为0.5-3h,优选为0.5-1.5h。
在本发明中,碳化处理后得到的储热材料I包括鳞片石墨,连续相碳组分和球形粉体。
在一个优选的实施方式中,所述石墨化处理在2500-3200℃下进行0.5-2h;进一步优选地,所述石墨化处理在2800-3200℃下进行0.5-1h。
在本发明中,石墨化处理后得到的储热材料II包括鳞片石墨,连续相石墨组分和球形粉体。
在一个优选的实施方式中,所述烧结和石墨化处理在惰性气体保护下进行,其中,所述惰性气体可以是氮气或氩气。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例和对比例中,;软化点是根据落球法测得;残碳率是根据JB/T 6774-2006(煤沥青固定炭测定方法)测得;鳞片石墨的含碳量通过JB/T 9141.6-2020测得。
实施例和对比例中的垂直导热率和面向导热率按照ASTM E1461进行测试,垂直导热率指的是x、y、z三个方向中最低的热导率,面向导热率指的是x、y、z三个方向中最高的热导率。
密度根据GB/T 24528-2009(炭素材料体积密度测定方法)测得;抗压强度根据GB/T 1431-2009(炭素材料耐压强度的测试方法)测得。
储热材料中鳞片石墨的含量=组合物中鳞片石墨的质量/(组合物总质量-沥青质量*(1-残炭率));连续相组分的含量=沥青质量*残炭率/(组合物质量-沥青质量*(1-残炭率))。
实施例和对比例中,鳞片石墨、沥青和球形粉体均为市售商品。
实施例1
(1)将40g的鳞片石墨(粒径150μm,含碳量99.5%),30g的沥青(中间相含量为100wt%;软化点为275℃;残碳率75wt%),30g的球形石墨(球度0.9,粒径130μm)的组合物混合均匀后模压成型,成型温度为500℃,成型压力为80MPa,成型时间为2h,得到成型材料;
(2)在氮气保护下,将上述成型材料在1500℃下碳化处理1h,得到储热材料I;
(3)在氩气保护下,将上述储热材料I在3000℃下石墨化处理0.5h,得到储热材料II,其中,储热材料II的组分含量如表1所示。
实施例2
与实施例1相似,区别在于:将球形石墨换成球形氮化铝(球度1,粒径100μm),鳞片石墨的添加量为50g,沥青的添加量为30g,球形氮化铝的添加量为20g,不做石墨化处理,得到储热材料I,其中,储热材料I的组分含量如表1所示。
实施例3
与实施例1相似,区别在于:鳞片石墨(粒径70μm,含碳量97wt%),球形石墨(球度1,粒径70μm),鳞片石墨的添加量为40g,沥青的添加量为40g,球形石墨的添加量为20g,得到储热材料II,其中,储热材料II的组分含量如表1所示。
实施例4
与实施例1相似,区别在于:鳞片石墨(粒径280μm,含碳量99.5wt%),球形石墨(球度0.9,粒径180μm),鳞片石墨的添加量为40g,沥青的添加量为25g,球形石墨的添加量为35g,得到储热材料II,其中,储热材料II的组分含量如表1所示。
对比例1
与实施例1相似,区别在于:用球度0.5,粒径130μm的球形石墨替换实施例1中的球形石墨,得到储热材料II,其中,储热材料II的组分含量如表1所示。
对比例2
与实施例1相似,区别在于:鳞片石墨的添加量为65g,沥青的添加量为30g,球形石墨的添加量为5g,得到储热材料II,其中,储热材料II的组分含量如表1所示。
对比例3
与实施例1相似,区别在于:用球度0.9,粒径45μm的球形石墨替换实施例1中的球形石墨,得到储热材料II,其中,储热材料II的组分含量如表1所示。
测试例1
对实施例1,3,4以及对比例1-3中所制备的储热材料II,以及实施例2所制备的储热材料I进行垂直导热率、面向导热率、抗压强度和密度的测试,结果如表1所示。
表1
由表1数据可知,本发明制备的储热材料具有取向度低,密度小且抗压强度好的优点。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低取向度储热材料,其特征在于,以所述储热材料的总质量计,所述储热材料包括37-70wt%的鳞片石墨,13-47wt%的连续相组分和15-49wt%的球形粉体;其中,所述连续相组分包括碳组分或石墨组分,所述球形粉体的球度为0.8-1,球形粉体粒径与鳞片石墨粒径的比值为0.3-1;所述储热材料的垂直热导率/面向热导率的比值为0.3-0.6,面向热导率为40-80W/mK。
2.根据权利要求1所述的储热材料,其中,所述球形粉体选自球形氧化铝、球形氮化铝、球形氧化镁、球形氧化锌、球形石墨、球形氮化硼、球形氧化钙、球形铜粉中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的储热材料,其中,所述储热材料的密度为1.8-2.4g/cm3,优选为1.9-2.2g/cm3;抗压强度为20-70MPa,优选为30-50MPa。
4.一种制备低取向度储热材料用组合物,其特征在于,所述组合物包括35-65重量份的鳞片石墨、20-50重量份的沥青和15-45重量份的球形粉体;其中,所述球形粉体的球度为0.8-1,球形粉体粒径与鳞片石墨粒径的比值为0.3-1。
5.根据权利要求4所述的组合物,其中,所述鳞片石墨的含碳量为90-100wt%,优选为95-100wt%。
6.根据权利要求4或5所述的组合物,其中,所述沥青的软化点为130-350℃,优选为230-320℃,残炭率≥60wt%,优选≥70wt%,中间相含量为50-100wt%,优选为60-100wt%。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的组合物,其中,所述球形粉体的粒径为15-500μm,优选为25-300μm;
优选地,所述球形粉体选自球形氧化铝、球形氮化铝、球形氧化镁、球形氧化锌、球形石墨、球形氮化硼、球形氧化钙、球形铜粉中的至少一种。
8.一种低取向度储热材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)将包含天然鳞片石墨、沥青和球形粉体的组合物熔融后热压成型,得到成型材料;
(2)将所述成型材料进行碳化处理,得到储热材料I;
或者,进一步任选的(3)将所述储热材料I进行石墨化处理,得到储热材料II。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其中,所述压制成型的条件包括成型温度为250-600℃,优选为350-550℃;成型压力为10-100MPa,优选为50-85MPa,成型时间为0.5-4h,优选为1-2h。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法,其中,所述碳化的条件包括:烧结温度为800-1600℃,优选为1000-1500℃;碳化时间为0.5-3h,优选为0.5-1.5h;
优选地,所述石墨化处理在2500-3200℃下进行0.5-2h;进一步优选地,所述石墨化处理在2800-3200℃下进行0.5-1h。
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