CN116218120A - 一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料及制备方法，涉及有机相变材料领域，包括以下步骤：将甲基丙烯酸甲酯单体(MMA)与引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)加入三口烧瓶中，在水浴环境和100rpm转速搅拌下持续30分钟；接着将聚乙二醇600加入三口烧瓶中，在水浴环境搅拌至完全溶解；将三口烧瓶中的溶液转移至烧杯中，加入导电纤维结构材料，超声震荡至分散均匀，之后将烧杯中的溶液转移至带有电极的模具中；将模具放置于恒温水浴中，同时外加辅助交流电场，然后置于烘箱中，高温熟化1小时。本发明能够充分利用纤维结构碳材料的单向导热特性，制备出一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料，其定向导热性能明显提升。
Description
技术领域
本发明涉及有机相变材料领域，尤其涉及一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料及制备方法。
背景技术
作为建筑储能系统中的主要组成部分，相变蓄冷空调技术具有高蓄冷效率、高蓄冷密度以及高装置灵活性等优势，可实现建筑用电高峰的削减转移，使传统刚性负荷柔性化，保障电网供需平衡，在可再生能源电力的高效稳定消纳和维护电力系统稳定与节能等方面将发挥重要作用。其中，有机相变材料具有高稳定性、高安全性、灵活的相变温度区间、高相变潜热等优势，在相变蓄冷空调领域得到广泛关注。
然而，传统有机相变材料通常采用外加金属容器的宏观封装方式，面临相变材料在固-液相变阶段较大体积膨胀，在熔融状态存在泄漏风险等问题。此外，传统有机相变材料的导热系数普遍低于0.2W/(m·K)，现有的导热强化的技术方案是通过将导热填料均匀混合于高分子定型相变材料体系之中，以提升整体的导热性能。但是，当导热填料添加质量比例较低时，复合材料导热性能仅有微小提升，而当其质量占比增加到10％甚至30％以上时，复合材料的导热性能才会有明显提升。但是，较高的导热填料质量占比往往会降低高分子定型相变材料的相变焓，如何在较低的导热填料占比下有效提升复合材料导热系数是有待解决的技术问题。值得一提的是，单纯地在有机相变材料内部混合导热填料的技术方案由于受到相变材料固-液相变过程的影响，使得导热填料与相变材料发生宏观分离，导致该方案对导热性能的改善不可持续。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种在导热填料填充率较低的情况下，相变材料导热性能提升，且改善导热持续性的材料。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何保证在不影响复合材料相变焓，即在导热填料填充率较低的情况下，实现相变材料导热性能的提升，同时解决导热强化不可持续，在熔融状态存在泄漏风险的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料及制备方法，通过电场辅助工艺对纤维结构进行定向诱导，使导热填料沿着相同方向定向排列。利用纤维结构的高长径比，可在低质量分数下实现导热通路的构筑，从而在较低的导热填料占比下有效提升复合材料定向导热系数。
在本发明的较佳实施方式中，具有定向导热通路的高分子定型相变材料的制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：将5ml甲基丙烯酸甲酯单体(MMA)与10mg引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)加入三口烧瓶中，在70℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续30分钟；
步骤(2)：将5g聚乙二醇600(PEG600)加入三口烧瓶中，在60℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续10分钟至完全溶解；
步骤(3)：将三口烧瓶中的溶液转移至烧杯中，加入10mg纤维结构碳材料，超声震荡15分钟至分散均匀，之后将烧杯中的溶液转移至带有电极的模具中；
步骤(4)：将模具放置于恒温水浴中，同时外加辅助交流电场；
步骤(5)：将模具置于烘箱中，高温熟化1小时。
所述纤维结构碳材料为碳纤维(CF)、碳纳米管(CNT)或碳纳米纤维(CNF)。
所述步骤(1)与步骤(2)中混合方式均为轻微搅拌，防止搅拌速率过快引入气泡，避免制备的材料存在气泡或者空腔而影响导热性能。
所述步骤(3)超声震荡时间为15分钟，超声震荡能够在微纳尺度上有效分散导热填料，防止导热填料发生微观团聚从而影响导热性能。
所述步骤(4)中高分子单体的原位聚合以及电场诱导填料定向排列同时进行，该技术方案能够针对导热填料实现较低粘度下的定向排列，粘度上升后的固定，有效抑制导热填料的布朗运动与团聚现象，有利于导热通路的形成。
所述步骤(4)的水浴温度为60℃。
所述步骤(4)中交流电场持续时间为4小时。
所述步骤(4)中电场强度300Vrms/40mm、频率500Hz。
所述步骤(5)中熟化温度为90℃。
在本发明的另一较佳实施方式中，一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料，其特征在于，使用上述方法制备而成。
技术效果
该技术方案能够充分利用纤维结构碳材料的单向导热特性，制备出一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料，其定向导热性能明显提升。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是具有定向导热通路的高分子定型相变材料俯视图
图2是具有定向导热通路的高分子定型相变材料示意图
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
具体实施方式一：
(1)将5ml甲基丙烯酸甲酯单体(MMA)与10mg引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)加入三口烧瓶中，在70℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续30分钟；
(2)将5g聚乙二醇600(PEG600)加入三口烧瓶中，在60℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续10分钟至完全溶解；
步骤(1)与步骤(2)中混合方式均为轻微搅拌，防止搅拌速率过快引入气泡，避免制备的材料存在气泡或者空腔而影响导热性能。
(3)将三口烧瓶中的溶液转移至烧杯中，加入10mg碳纳米管(CNT)，超声震荡15分钟至分散均匀，之后将溶液转移至带有电极的模具中；
步骤(3)超声震荡时间为15分钟，超声震荡能够在微纳尺度上有效分散导热填料，防止导热填料发生微观团聚从而影响导热性能。
(4)将模具放置于60℃恒温水浴中，同时外加辅助交流电场持续约4小时，电场参数为电场强度300Vrms/40mm、频率500Hz；
步骤(4)中高分子单体的原位聚合以及电场诱导填料定向排列同时进行，该技术方案能够针对导热填料实现较低粘度下的定向排列，粘度上升后的固定，有效抑制导热填料的布朗运动与团聚现象，有利于导热通路的形成。
(5)将模具置于烘箱中，90℃高温熟化1小时。
如图1所示，具有定向导热通路的高分子定型相变材料俯视图
如图2为具有定向导热通路的高分子定型相变材料示意图。
具体实施方式二：
(1)将5ml甲基丙烯酸甲酯单体(MMA)与10mg引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)加入三口烧瓶中，在70℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续30分钟；
(2)将5g聚乙二醇600(PEG600)加入三口烧瓶中，在60℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续10分钟至完全溶解；
步骤(1)与步骤(2)中混合方式均为轻微搅拌，防止搅拌速率过快引入气泡，避免制备的材料存在气泡或者空腔而影响导热性能。
(3)将三口烧瓶中的溶液转移至烧杯中，加入10mg碳纳米纤维(CNF)，超声震荡15分钟至分散均匀，之后将溶液转移至带有电极的模具中；
步骤(3)超声震荡时间为15分钟，超声震荡能够在微纳尺度上有效分散导热填料，防止导热填料发生微观团聚从而影响导热性能。
(4)将模具放置于60℃恒温水浴中，同时外加辅助交流电场持续约4小时，电场参数为电场强度300Vrms/40mm、频率500Hz；
步骤(4)中高分子单体的原位聚合以及电场诱导填料定向排列同时进行，该技术方案能够针对导热填料实现较低粘度下的定向排列，粘度上升后的固定，有效抑制导热填料的布朗运动与团聚现象，有利于导热通路的形成。
(5)将模具置于烘箱中，90℃高温熟化1小时。
具体实施方式三：
(1)将5ml甲基丙烯酸甲酯单体(MMA)与10mg引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)加入三口烧瓶中，在70℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续30分钟；
(2)将5g聚乙二醇600(PEG600)加入三口烧瓶中，在60℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续10分钟至完全溶解；
步骤(1)与步骤(2)中混合方式均为轻微搅拌，防止搅拌速率过快引入气泡，避免制备的材料存在气泡或者空腔而影响导热性能。
(3)将三口烧瓶中的溶液转移至烧杯中，加入10mg碳纤维(CF)，超声震荡15分钟至分散均匀，之后将溶液转移至带有电极的模具中；
步骤(3)超声震荡时间为15分钟，超声震荡能够在微纳尺度上有效分散导热填料，防止导热填料发生微观团聚从而影响导热性能。
(4)将模具放置于60℃恒温水浴中，同时外加辅助交流电场持续约4小时，电场参数为电场强度300Vrms/40mm、频率500Hz；
步骤(4)中高分子单体的原位聚合以及电场诱导填料定向排列同时进行，该技术方案能够针对导热填料实现较低粘度下的定向排列，粘度上升后的固定，有效抑制导热填料的布朗运动与团聚现象，有利于导热通路的形成。
(5)将模具置于烘箱中，90℃高温熟化1小时。
纤维结构碳材料在复合材料中如何定向排列是提升定向导热性能的关键，上述技术方案中提供的电场辅助诱导工艺依托碳基导热填料极强的介电特性，实现平行于电场方向的偏转；依托介电泳效应，促使碳基导热填料首尾相连形成导热通路。在高分子单体原位聚合过程中引入电场辅助诱导工艺，可在较低粘度下对碳基导热填料进行定向诱导排列，在原位聚合末段体系粘度升高时固定导热通路。该技术方案能够充分利用纤维结构碳材料的单向导热特性，制备出一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料，其定向导热性能明显提升。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：将5ml甲基丙烯酸甲酯单体(MMA)与10mg引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)加入三口烧瓶中，在70℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续30分钟；
步骤(2)：将5g聚乙二醇600(PEG600)加入三口烧瓶中，在60℃水浴环境和100rpm转速搅拌下持续10分钟至完全溶解；
步骤(3)：将三口烧瓶中的溶液转移至烧杯中，加入10mg纤维结构碳材料，超声震荡15分钟至分散均匀，之后将烧杯中的溶液转移至带有电极的模具中；
步骤(4)：将模具放置于恒温水浴中，同时外加辅助交流电场；
步骤(5)：将模具置于烘箱中，高温熟化1小时。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维结构碳材料为碳纤维(CF)、碳纳米管(CNT)或碳纳米纤维(CNF)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)与步骤(2)中混合方式均为轻微搅拌。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)超声震荡时间为15分钟。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中高分子单体的原位聚合以及电场诱导填料定向排列同时进行。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)的水浴温度为60℃。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中交流电场持续时间为4小时。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中电场强度300Vrms/40mm、频率500Hz。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中熟化温度为90℃。
10.一种具有定向导热通路的高分子定型相变材料，其特征在于，使用权利要求1-9任一项所述方法制备而成。
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2023
- 2023-04-21 CN CN202310436722.0A patent/CN116218120A/zh active Pending
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