一种基于溶剂置换法的高导热复合相变材料及其制备方法与流程

1.本发明属于储能复合材料领域，具体涉及一种基于溶剂置换法的高导热复合相变材料及其制备方法。


背景技术：

2.基于相变材料的储能技术与温度管理技术正得到越来越广泛的关注与应用。相变材料在相变过程中可实现大容量的潜热存储与释放，即存储或者释放大量热能，而温度基本保持不变。目前使用与研究较多的有机相变材料具有储热能力强，循环稳定性好等优势，但是固有的低热导率(一般低于1w/m.k)极大的限制相变材料与环境之间的热交换速率，从而影响了其作为储能材料与温度管理材料的工作效率。
3.为解决有机相变材料的低热导率问题，提高其热响应性能，可以向有机相变材料内共混入导热材料如石墨烯，膨胀石墨，氮化硼等构筑复合相变材料。但这类复合相变材料中，导热材料分散度高，彼此之间相互孤立，不利于声子传输，因此热导率提升有限。将导热材料构筑成三维导热网络结构，然后引入到相变材料内部，在同样质量分数的导热材料添加量下具有比直接共混更加突出热热导率提升效果。目前报道的基于三维导热结构的复合相变材料，一般采用预先构筑三维导热网络，然后浸渍相变材料的方式制得。制备三维导热结构方式中，化学气相沉积，冷冻干燥等方式，耗能耗时巨大，大规模制备成本难以控制，如何经济环保的制备高导热复合相变材料仍是亟需攻克的一大难题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于溶剂置换法的高导热复合相变材料，以克服现有技术中制备高导热复合相变材料耗时耗能大的问题。
5.本发明提供一种基于溶剂置换法的高导热复合相变材料，在使用导热填料浆料加工三维多孔导热网络的过程中，省去干燥过程，使用有机溶剂置换三维多孔导热网络中的水，随后再浸入融化的相变材料中，挥发掉有机溶剂得到。
6.所述导热填料包括单层石墨烯、多层石墨烯、石墨烯纳米片、氧化石墨烯、膨胀石墨、片状石墨、碳纳米管、氮化硼、氧化铝中的一种或几种。
7.所述有机溶剂包括丙酮、乙醇、甲醇中的一种或几种。
8.所述相变材料包括石蜡、聚乙二醇、相变多元醇、相变多元酸中的一种或者几种。
9.本发明还提供一种基于溶剂置换法的高导热复合相变材料的制备方法，包括：
10.(1)将导热填料与还原剂抗坏血酸钠加入到氧化石墨烯分散液中混合搅拌1h，配制成稳定分散的导热填料浆料，其中，导热填料与氧化石墨烯的质量比为1:0.1～1:5，还原剂抗坏血酸钠与氧化石墨烯的质量比为1:0.2～1:3。将制备的导热填料浆料倒入模具中，放入烘箱中保温一段时间进行还原凝胶化。
11.(2)将步骤(1)得到的凝胶状样品，用去离子水充分水洗，去除残留的抗坏血酸钠，随后进行冷冻。之后将冷冻后的样品置入盛有有机溶剂的容器中，期间更换几次有机溶剂，
使样品中的水分被充分置换。
12.(3)将步骤(2)中得到的样品完全浸入到融化后的相变材料内，并加热到有机溶剂沸点以上，待有机溶剂完全挥发后，取出浸渍有相变材料的三维多孔导热结构，冷却到室温得到高导热复合相变材料。
13.所述步骤(1)中导热填料包括石墨烯、氧化石墨烯、膨胀石墨、片状石墨、碳纳米管、氮化硼、氧化铝中的一种或几种。
14.所述步骤(1)中氧化石墨烯分散液浓度为0.5～5wt％。
15.所述步骤(1)中还原凝胶化温度为50～150℃，还原凝胶化时间为0.5～24h。
16.所述步骤(2)中冷冻温度为
‑
190～
‑
10℃，冷冻时间为0.5～24h。
17.所述步骤(2)中有机溶剂包括丙酮、乙醇、甲醇中的一种或几种。
18.所述步骤(3)相变材料包括石蜡、聚乙二醇、相变多元醇、相变多元酸中的一种或者几种。
19.有益效果
20.本发明通过水
‑
有机溶剂
‑
相变材料分步溶剂置换的方式，在相变材料内部构筑了高效的三维导热网络结构，使相变材料热导率得到大幅度提高。同时，该方法利用了浸渍相变材料时的温度条件实现溶剂的去除，相比于传统的冷冻干燥，省去了耗时耗能的冻干过程，且蒸发出的有机溶剂可以重复使用。具有节能绿色环保的优势，有望解决高导热复合相变材料难以大规模制备的难题。
附图说明
21.图1为实施例1中制备的高导热复合相变材料在90℃加热台上放置10min后的光学照片。
具体实施方式：
22.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
23.实施例1
24.(1)取50.0g浓度为0.5wt％的氧化石墨烯分散液，加入500mg导热填料石墨烯纳米片和0.25g抗坏血酸钠，室温转速1000rpm搅拌1h，得到均匀混合悬浮液。将得到的悬浮液倒入模具中，置于60℃环境中还原12h进行凝胶化。
25.(2)将步骤(1)得到的凝胶化样品用去离子水充分水洗，随后置于液氮(
‑
196℃)环境中冷冻，冷冻时间为15min。随后将冷冻后的样品浸入100ml丙酮之中，每6h换一次丙酮，进行三次。
26.(3)将步骤(2)中得到的样品完全浸入到融化后的石蜡内，并加热到90℃，待有机溶剂完全挥发后无气泡产生后，取出浸渍有相变材料的三维多孔导热结构，冷却到室温得到高导热复合相变材料。其中石蜡的负载量为94.5wt％，热导率为2.3w/m.k，相变焓为205j/g,相变温度为42℃。
27.图1为基于溶剂置换法制备的高导热复合相变材料在熔点以上的光学相片，可以看到该法制备的复合相变材料具有良好形状稳定性，熔点之上无明显泄露。
28.实施例2
29.根据实施例1，将实施例1步骤(1)中导热填料石墨烯纳米片改为氮化硼纳米片，加入量改为1000mg，其余均与实施例1相同，得到高导热复合相变材料。其中石蜡的负载量为91.2wt％，热导率为3.6w/m.k，相变焓为200j/g,相变温度为41℃。
30.实施例3
31.根据实施例1，将实施例1步骤(1)中还原凝胶化条件改为80℃，8h。其余均与实施例1相同，得到高导热复合相变材料。其中石蜡的负载量为92.8wt％，热导率为4.6w/m.k，相变焓为201j/g，相变温度为41℃。
32.实施例4
33.根据实施例1，将实施例1步骤(2)中的冷冻条件改为
‑
30℃，2h。其余均与实施例1相同，得到高导热复合相变材料。其中石蜡的负载量为94.8wt％，热导率为2.7w/m.k，相变焓为205j/g，相变温度为41℃。
34.实施例5
35.根据实施例1，将实施例1步骤(2)有机溶剂改为乙醇。步骤(3)加热温度改为100℃。其余均与实施例1相同，得到高导热复合相变材料。其中石蜡的负载量为93.5wt％，热导率为2.5w/m.k，相变焓为201j/g，相变温度为41℃。