同时增强膨胀蛭石基复合相变材料稳定性和导热率的方法

摘要

本发明涉及一种同时增强膨胀蛭石基复合相变材料稳定性和导热率的方法，该方法包括以下步骤：⑴将蔗糖水溶液与膨胀蛭石混合后，经超声震荡、过滤、烘干，得到膨胀蛭石‑蔗糖前驱物；⑵所述膨胀蛭石‑蔗糖前驱物置于高温管式电炉中，混合气氛下炭化，得到原位修饰碳层的膨胀蛭石，即封装基体；⑶在真空浸渍装置中，将所述封装基体置于过量固体石蜡上，水浴加热至石蜡呈熔融状态；⑷用滤网将所述封装基体从液态石蜡滤出，反复用滤纸吸附除去膨胀蛭石表面黏附的石蜡，即可。本发明工艺简单，所得的相变材料具有良好的稳定性和导热性能，可广泛应用于太阳能储存、建筑温度调控和动力电池热管理等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及传热、热交换或储热的材料领域，尤其涉及同时增强膨胀蛭石基复合相变材料稳定性和导热率的方法。

背景技术

石蜡类相变材料具有可调的相变温度、高潜热、低过冷和化学稳定性好等优良特性，在太阳能储存、建筑保温和动力电池热管理等领域有广泛的应用，但在应用中仍存在稳定性差和导热率低的问题。通过多孔介质封装，并分散高导热物质到相变材料中强化传热，可同时解决上述两个问题。

相比已研究的膨胀石墨、多孔陶瓷和合成材料等多孔介质，膨胀蛭石作为一种层状硅酸盐矿物，应用于储能的潜在优势有：⑴结构与形貌优势：膨胀蛭石具有独特的结构和形貌，具有较大储热容量。⑵热稳定性：膨胀蛭石在一定温度范围内具有良好的热稳定性。⑶化学惰性：作为基体不易与相变材料发生化学反应，相容性好。⑷成本优势：原料价格低廉。

分散的高导热物质主要有碳纳米管、石墨粉、活性炭、金属粉和纳米金属粒子等，通过增加低热阻传热通道，从而提高传热效率。但是，这种强化传热技术手段存在一些缺点：相变材料与分散在其中的导热物质存在密度差异或相容性差等问题，易在长期使用过程中出现沉降和分离，导致强化传热不均或失效的现象。因此，如何开发稳定性好、储热容量大、传热效率高且均匀的石蜡复合相变材料及新的强化传热方法具有挑战意义。

目前强化传热常用的方法有：在相变材料体系中加入金属高导热颗粒（见中国专利，一种强化传热相变储能流体及其制备方法，公开号CN103146356A），或加入层状碳材料（见中国专利，一种太阳能蓄热复合材料及其制备方法，公开号CN107828385A；一种粉煤灰基复合相变储热材料及其制备方法，公开号CN107502301A）。但这些方法仅单一地实现强化传热效果，对改善复合相变材料的稳定性没有贡献。

关伟民等公开了原位构筑多孔炭结构对膨胀蛭石封装石蜡的热物性能的影响，证明多孔炭能很好地提高热稳定性和导热率（Preparation of paraffin/expandedvermiculite with enhanced thermal conductivity by implanting network carbonin vermiculite layers，Chemical Engineering Journal 277 (2015) 56–63），但该论文并未实际探究不同比例多孔炭对石蜡吸附率、储热容量和导热率的具体影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种同时增强膨胀蛭石基复合相变材料稳定性和导热率的方法。

为解决上述问题，本发明所述的同时增强膨胀蛭石基复合相变材料稳定性和导热率的方法，包括以下步骤：

⑴将质量浓度为30~50%的蔗糖水溶液与膨胀蛭石按1：1~9：1的液固质量比混合后，于50 ℃超声1~2 h，再经振荡器震荡4~6 h，经过滤、烘干，得到膨胀蛭石-蔗糖前驱物；

⑵所述膨胀蛭石-蔗糖前驱物置于高温管式电炉中，混合气氛下于600~800 ℃炭化，得到原位修饰碳层的膨胀蛭石，即封装基体；

⑶在真空浸渍装置中，将所述封装基体置于过量固体石蜡上，抽真空0.5~1 h，于80~85℃下水浴加热1~2 h至石蜡呈熔融状态；

⑷用滤网将所述封装基体从液态石蜡滤出，于80~85 ℃反复用滤纸吸附除去膨胀蛭石表面黏附的石蜡，即可。

所述步骤⑴中烘干温度为100~105 ℃。

所述步骤⑵中混合气氛是指氢气与氮气按1：9体积比混合而得。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明利用蛭石在热处理过程中膨胀形成均匀的纳米尺度 “滑层间” 和微米级孔隙这一特征，将有机长碳链高分子浸渗和吸附至膨胀蛭石的层间和孔隙，制备具有三维网状结构的有机长碳链高分子海绵前驱体；再经高温炭化和石墨化处理，获得膨胀蛭石“滑层间” 和孔隙中均匀分布三维网状多孔炭的二元孔结构，并通过膨胀蛭石层/隙间及其内部均匀分布的三维网状多孔炭的高比表面积和丰富微米级孔道，稳定地将石蜡双重固封在蛭石层/隙间二元孔结构中，使得多孔炭在膨胀蛭石层/隙间能够像“网”一样，将石蜡分散在一个个基本结构单元中，有效避免了长期使用过程中强化传热物质易沉降和分离的问题，在提高膨胀蛭石复合相变材料稳定性的同时，强化了传热效果优异。

2、本发明采用成本比银纳米线、石墨烯、碳纳米管等常见高导热增强物质更低的蔗糖作为原料强化传热膨胀蛭石基复合相变材料，有利于其低成本高效应用。

3、本发明在膨胀蛭石孔道中构建的均匀分布的三维网状多孔炭结构比目前添加高导热粒子的存在形式更加稳定，长期应用过程中不会出现团聚和分离现象，能保证良好的强化传热效果。

4、本发明在膨胀蛭石微米级孔道内部形成的多孔炭结构较完整，这种特殊的结构能对石蜡进行有效地吸附并保持良好的稳定性（参见图1）。同时，大量的膨胀蛭石孔道及其内部形成的多孔炭结构被石蜡占据，双重固封作用能增加石蜡的稳定性和导热性能（参见图2），进而防止在多次相变循环使用过程中出现泄露。

5、本发明所得的复合相变材料经实验证实多孔炭含量的确会对其热物性能产生明显影响，调节合适的多孔炭比例有利于改善综合热物性能，达到最优效果。质量浓度为30%~50%的蔗糖水溶液制得的膨胀蛭石基复合相变材料相变潜热为73~84J/g，导热率为0.45~0.55 W/(m·K)。多孔炭前驱物蔗糖质量浓度为40%~50%时，膨胀蛭石基复合相变材料综合热物性能最优。

6、本发明工艺简单，所得的相变材料可广泛应用于太阳能储存、建筑温度调控和动力电池热管理等领域。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明得到原位修饰碳层的膨胀蛭石的微观形貌。

图2为本发明得到膨胀蛭石基石蜡复合相变材料的微观形貌。

具体实施方式

实施例1 同时增强膨胀蛭石基复合相变材料稳定性和导热率的方法，包括以下步骤：

⑴将质量浓度为30%的蔗糖水溶液与膨胀蛭石按1：1的液固质量比（g/g）混合后，于50℃超声1 h，再经振荡器震荡4 h，经过滤、100 ℃烘干，得到膨胀蛭石-蔗糖前驱物；

⑵膨胀蛭石-蔗糖前驱物置于高温管式电炉中，混合气氛下于600℃炭化，得到原位修饰碳层的膨胀蛭石，即封装基体；

⑶在真空浸渍装置中，将封装基体置于过量固体石蜡上，抽真空0.5 h，于85 ℃下水浴加热1 h至石蜡呈熔融状态；

⑷用滤网将封装基体从液态石蜡滤出，于80 ℃反复用滤纸吸附除去膨胀蛭石表面黏附的石蜡，即可。

该原位修饰炭层增强稳定性和强化传热的膨胀蛭石基复合相变材料的石蜡吸附率为43.89 wt%，储热容量约为63 J/g，导热率达到0.38 W/(m·K)。

实施例2 同时增强膨胀蛭石基复合相变材料稳定性和导热率的方法，包括以下步骤：

⑴将质量浓度为40%的蔗糖水溶液与膨胀蛭石按9：1的液固质量比（g/g）混合后，于50℃超声1.5 h，再经振荡器震荡5 h，经过滤、103 ℃烘干，得到膨胀蛭石-蔗糖前驱物；

⑵膨胀蛭石-蔗糖前驱物置于高温管式电炉中，混合气氛下于700 ℃炭化，得到原位修饰碳层的膨胀蛭石，即封装基体；

⑶在真空浸渍装置中，将封装基体置于过量固体石蜡上，抽真空0.75 h，于83 ℃下水浴加热1.5 h至石蜡呈熔融状态；

⑷用滤网将封装基体从液态石蜡滤出，于83 ℃反复用滤纸吸附除去膨胀蛭石表面黏附的石蜡，即可。

该原位修饰炭层增强稳定性和强化传热的膨胀蛭石基复合相变材料的石蜡吸附率为49.87 wt%，储热容量约为72 J/g，导热率达到0.45 W/(m·K)。

实施例3 同时增强膨胀蛭石基复合相变材料稳定性和导热率的方法，包括以下步骤：

⑴将质量浓度为50%的蔗糖水溶液与膨胀蛭石按液固按5：1的质量比（g/g）混合后，于50 ℃超声2 h，再经振荡器震荡6 h，经过滤、105 ℃烘干，得到膨胀蛭石-蔗糖前驱物；

⑵膨胀蛭石-蔗糖前驱物置于高温管式电炉中，混合气氛下于800 ℃炭化，得到原位修饰碳层的膨胀蛭石，即封装基体；

⑶在真空浸渍装置中，将封装基体置于过量固体石蜡上，抽真空1 h，于80 ℃下水浴加热2 h至石蜡呈熔融状态；

⑷用滤网将封装基体从液态石蜡滤出，于85 ℃反复用滤纸吸附除去膨胀蛭石表面黏附的石蜡，即可。

该原位修饰炭层增强稳定性和强化传热的膨胀蛭石基复合相变材料的石蜡吸附率为56.55 wt%，储热容量约为84 J/g，导热率达到0.55 W/(m·K)。

上述实施例1~3中，混合气氛是指氢气与氮气按1：9体积比（mL/mL）混合而得。