CN102031090A

CN102031090A - 一种具有相变储能功能的相变石墨粉及其制备方法

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Publication number: CN102031090A
Application number: CN2010105413888A
Authority: CN
Inventors: 张东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2011-04-27

Abstract

本发明属于热功能复合材料技术领域，具体为一种具有相变储能功能的相变石墨粉及其制备方法。该相变石墨粉采用石墨和无机盐相变材料，通过石墨插层、膨化、浸渍、蒸发、粉碎、包覆过程制备获得，其中无机盐相变材料分布于石墨孔隙中；所述无机盐相变材料为无机盐水合物或高温无机盐相变材料。由本发明制备的相变石墨粉具有导热性能高、密封性能强、不易渗漏等优点，并能方便地应用于多种场合，如用于生产建筑材料、制作高温蓄热装置和电子散热等，具有广泛的用途。

Description

一种具有相变储能功能的相变石墨粉及其制备方法

技术领域

本发明属于热功能复合材料技术领域，具体涉及一种具有相变储能功能的相变石墨粉及其制备方法。

背景技术

随着世界人口的不断增加，能源紧缺已提前到来。能源的可持续发展是当今世界的一大难题。相变储能就是一项非常重要的节能技术，它是利用相变材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，这有助于提高能效和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。相变储能控温常用于缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式，在太阳能的利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用，以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景。

虽然相变储能技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，但是由于相变材料在使用中存在着一些致命缺陷(如：腐蚀性、不稳定性、过冷、传热性能差等)，特别是传热性能差，导致使用效果大打折扣。例如，有机相变材料导热系数一般在0.1W/mK左右，而无机相变材料在0.5W/mK左右。导热系数低导致了相变材料储能、放热功率不高，无法充分利用相变材料储能容量，因而限制了其在工业上的大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有相变储能功能的相变石墨粉及其制备方法。

本发明提供的具有相变储能功能的相变石墨粉，采用石墨和无机盐相变材料，通过石墨插层、膨化、浸渍、蒸发、粉碎、包覆等过程制备获得。相变石墨粉为一种粉状复合材料，其中无机盐相变材料分布于多孔石墨孔隙中（如图1所示），既可克服相变材料导热性能差问题，又有助于解决渗漏和相容性等问题。无机盐相变材料包括各种无机盐水合物或高温（指相变温度高于100摄氏度）无机盐相变材料，如硝酸盐、氯化物、氟化物和碳酸盐及其混合盐等。

本发明提供的具有相变储能功能的相变石墨粉的制备方法，具体步骤如下：

（1）石墨插层

采用热化学方法对天然鳞片石墨进行插层处理。插层剂选择浓硫酸，氧化剂选择高锰酸钾。具体步骤为：将鳞片石墨、插层剂和氧化剂的混合物置于在恒温水浴中搅拌加热。然后过滤、水洗和烘干插层混合物，制得可膨胀石墨。其中，水浴温度为20～80°C。混合物重量比例为石墨：插层剂：氧化剂＝1:1～20：0.01～5。插层时间为5～200分钟。水洗pH值取0～7。烘干温度取100～120°C （如为110°C），烘干时间2～24小时。

（2）膨化

利用高功率微波炉对经插层的可膨胀石墨进行超短时间膨化，制备膨胀石墨，可减少对膨胀石墨微观结构的破坏，提高膨胀石墨对相变材料的吸纳能力。其具体步骤为：将可膨胀石墨置入透微波容器，然后放入高功率微波炉中膨化。微波炉功率在1000～8000W范围内，膨化时间范围为1～5秒。图2和图3分别为高功率超短时间微波膨化的膨胀石墨宏观和微观图像。

（3）浸渍

浸渍过程根据膨胀石墨和相变材料溶液之间的浸润特性，选择常压浸渍和真空负压浸渍两种方法。当膨胀石墨和相变材料溶液之间具有自动浸润特性时选择常压浸渍方法；当膨胀石墨和相变材料溶液之间不具有自动浸润特性时选择真空负压浸渍方法。

所述常压浸渍方法，是将膨胀石墨浸入在无机盐相变材料的水溶液中24～48小时。然后取出浸泡饱和膨胀石墨，放在多孔容器中，沥去多余的液体。

所述真空负压浸渍方法，首先将膨胀石墨放入真空容器中，然后利用真空泵抽除真空容器和膨胀石墨孔隙内的空气，真空负压高于80kPa，抽真空时间至少60分钟（例如60～80分钟）。之后在真空负压条件下将无机盐相变材料的水溶液导入真空容器并浸渍入膨胀石墨中。然后打开真空容器，将大气通入，在大气压作用下继续浸泡至少1小时（例如1～1.5小时），将无机盐相变材料水溶液压入膨胀石墨孔隙内。然后取出浸泡饱和膨胀石墨，放在多孔容器中，沥去多余的液体。

（4）蒸发

将沥干的膨胀石墨浸渍物放入烘箱中，烘箱温度设置在相变温度以上10～20°C（针对无机盐水合物相变材料）或100～120°C（如110°C）（针对高温无机盐相变材料），以蒸发多余水分。蒸发时间控制在12～48小时之间。

（5）粉碎

采用高速流体的冲击作用对其进行粉碎。具体步骤为：先将液体和膨胀石墨浸渍物的混合物放入容器中，液体要求与无机盐相变材料不相溶，如乙醇、脂肪醇或丙酮等有机液体。混合物中液体和膨胀石墨浸渍物重量比例控制在2:1～4:1。然后用高速搅拌机搅拌0.5～2分钟，搅拌机转速为550～700RPM（例如为600RPM）。然后将混合物用200目以上的筛子过滤。过滤物放入110～130°C （例如120°C）烘箱，烘至恒重，即可得到含有无机盐相变材料的多孔石墨粉。

在操作过程中，可先在不锈钢容器加入约1/2～2/3容积的液体和膨胀石墨浸渍物，不锈钢容器可为圆柱形，高度控制在0.1～0.5m，直径控制在0.1～0.3m。然后在不锈钢容器上盖上透明有机玻璃保护罩。将高速搅拌机的搅拌叶片伸入混合物中，启动搅拌机，并逐渐匀速升高电机转速，一般情况下，在10～30秒内将转速提高到所需转速即可。并保持在最高转速0.5～2分钟。然后关闭电机，切断电源，取下透明有机玻璃保护罩。将不锈钢容器中的混合物用200目以上的筛子过滤。过滤物用玻璃或不锈钢托盘盛装，放入烘箱，烘至恒重。

（6）包覆

采用聚合物基复合材料作为密封膜层包覆多孔石墨粉。可选用树脂、乳液等作为密封膜层的基体材料，如环氧树脂、丁苯乳液等，采用导热系数高的金属或非金属粉末作为密封膜层的填料，如铝粉、铜粉等。

采用上述过程制备的相变石墨粉具有导热性能高、密封性能强、不易渗漏等优点，并能很方便应用于多种场合，如用于生产建筑材料、制作高温蓄热装置和电子散热等，具有广泛的用途。

附图说明

图1 本发明相变石墨粉内部结构示意图。

图2 膨胀石墨的宏观图像。

图3 膨胀石墨的微观图像。

图4 相变石墨粉图像。

具体实施方式

实施例1

分别取100克鳞片石墨（100目、95%含碳量）、500毫升浓硫酸（98%的）和50克高锰酸钾混合，并置于恒温水浴中，水浴温度60°C，插层时间为60分钟。插层后混合物用300目不锈钢滤网过滤，并用清水洗涤，重复过滤和清洗过程两次，水洗pH值为6。最后将过滤物放入烘箱烘干。烘干温度为110°C，烘干时间为12小时。取烘好石墨插层物100克放入高功率微波炉中膨化。微波炉功率设为3000W上。微波作用时间3秒。采用常压浸渍方法，将膨胀石墨浸泡在氯化钙饱和水溶液中30小时。取出沥干。将沥干的膨胀石墨浸渍物放入烘箱烘干，烘干温度设置为40度，蒸发其中多余的水分，蒸发时间为30小时。然后用高速流体方法粉碎蒸干的膨胀石墨浸渍物，粉碎时间1分钟。最后采用环氧树脂包覆密封相变石墨粉。采用差示扫描量热法测试相变石墨粉的相变温度为27摄氏度，相变热为165J/g。该相变石墨粉为常温相变材料，可用来制备相变储能建筑材料，应用于节能建筑。

实施例2

分别取100克鳞片石墨（100目、95%含碳量）、600毫升浓硫酸（98%的）和60克高锰酸钾混合，并置于恒温水浴中，水浴温度70°C，插层时间为60分钟。插层后混合物用300目不锈钢滤网过滤，并用清水洗涤，重复过滤和清洗过程两次，水洗pH值为7。最后将过滤物放入烘箱烘干。烘干温度为110°C，烘干时间为12小时。取烘好石墨插层物100克放入高功率微波炉中膨化。微波炉功率设为4000W上。微波作用时间2秒。采用真空负压浸渍方法，在膨胀石墨浸渗硝酸钠和硝酸钙饱和水溶液，真空维持时间120分钟，在大气压作用下继续浸泡2小时。取出沥干。将沥干的膨胀石墨浸渍物放入烘箱烘干，烘干温度设置为110度，蒸发其中所有水分，蒸发时间为30小时。然后用高速流体方法粉碎蒸干的膨胀石墨浸渍物，粉碎时间1分钟。最后采用环氧树脂包覆密封相变石墨粉。采用差示扫描量热法测试相变石墨粉的相变温度为225摄氏度，相变热为115J/g。该相变石墨粉为高温相变材料，可以用于太阳能高温储存利用和工业余热利用。

实施例3

分别取100克鳞片石墨（100目、95%含碳量）、1000毫升浓硫酸（98%的）和100克高锰酸钾混合，并置于恒温水浴中，水浴温度75°C，插层时间为60分钟。插层后混合物用300目不锈钢滤网过滤，并用清水洗涤，重复过滤和清洗过程两次，水洗pH值为7。最后将过滤物放入烘箱烘干。烘干温度为110°C，烘干时间为12小时。取烘好石墨插层物100克放入高功率微波炉中膨化。微波炉功率设为5000W上。微波作用时间2秒。采用真空负压浸渍方法，在膨胀石墨浸渗醋酸钠饱和水溶液，真空维持时间120分钟，在大气压作用下继续浸泡2小时。取出沥干。将沥干的膨胀石墨浸渍物放入烘箱烘干，烘干温度设置为70度，蒸发其中多余水分，蒸发时间为30小时。然后用高速流体方法粉碎蒸干的膨胀石墨浸渍物，粉碎时间1分钟。最后采用环氧树脂包覆密封相变石墨粉。采用差示扫描量热法测试相变石墨粉的相变温度为58摄氏度，相变热为195J/g。该相变石墨粉为中温相变材料，可以用于太阳能建筑储热和应用。

Claims

1.一种具有相变储能功能的相变石墨粉，其特征在于采用石墨和无机盐相变材料，通过石墨插层、膨化、浸渍、蒸发、粉碎、包覆过程制备获得，其中无机盐相变材料分布于石墨孔隙中；所述无机盐相变材料为无机盐水合物或高温无机盐相变材料。

2.如权利要求1所述的具有相变储能功能的相变石墨粉制备方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）石墨插层

将鳞片石墨、插层剂硫酸和氧化剂高锰酸钾的混合物置于在恒温水浴中搅拌加热；然后过滤、水洗和烘干插层混合物，制得可膨胀石墨；其中，水浴温度为20～80°C；所述混合物重量比例为石墨：插层剂：氧化剂＝1:1～20：0.01～5，插层时间为5～200分钟；水洗pH值取0～7；烘干温度为100～120°C，烘干时间2～24小时；

（2）膨化

将可膨胀石墨置入透微波容器，然后放入微波炉中膨化；微波炉功率为1000～8000W，膨化时间为1～5秒；

（3）浸渍

浸渍方法分为两种：当膨胀石墨和相变材料溶液之间具有自动浸润特性时选择常压浸渍方法；当膨胀石墨和相变材料溶液之间不具有自动浸润特性时选择真空负压浸渍方法；

所述常压浸渍方法，是将膨胀石墨浸入在无机盐相变材料的水溶液中24～48小时；然后取出浸泡饱和膨胀石墨，沥去多余的液体；

所述真空负压浸渍方法，首先将膨胀石墨放入真空容器中，利用真空泵抽除真空容器和膨胀石墨孔隙内的空气，使真空负压高于80kPa；在真空负压条件下将无机盐相变材料的水溶液导入真空容器并浸渍入膨胀石墨中；然后将大气通入，在大气压作用下继续浸泡至少1小时，将无机盐相变材料水溶液压入膨胀石墨孔隙内；最后取出浸泡饱和膨胀石墨，沥去多余的液体；

（4）蒸发

将沥干的膨胀石墨浸渍物放入烘箱中，以蒸发多余水分，蒸发时间为12～48小时；对于无机盐水合物相变材料，烘箱温度设置在相变温度以上10～20°C，对于高温无机盐相变材料，烘箱温度设置在100～120°C；

（5）粉碎

先将液体和膨胀石墨浸渍物的混合物放入容器中，该液体与无机盐相变材料不相溶，混合物中液体和膨胀石墨浸渍物重量比例为2:1～4:1；用搅拌机搅拌0.5～2分钟，搅拌机转速为550～700RPM；然后将混合物用200目以上的筛子过滤，将过滤物放入110～130°C烘箱，烘至恒重，即得到含有无机盐相变材料的多孔石墨粉；

（6）包覆

采用聚合物基复合材料作为密封膜层包覆多孔石墨粉。