CN109576823B - 一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于相变储能材料领域，公开了一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料及其制备方法。将聚丙烯腈溶解于有机溶剂中，然后加入相变储能颗粒搅拌混合均匀，得到油相溶液；将水溶性相变材料溶于去离子水或直接使用去离子水作为水相溶液；将水相溶液加入到油相溶液中，加入乳化剂均质分散，得到油包水型乳液，然后静电纺丝得到具有皮芯结构复合纤维材料；冷冻干燥处理，得到中空纤维材料；最后在惰性气氛下经过预氧化和碳化处理，得到具有皮芯纤维结构的相变储能材料。本发明将纤维制备技术与高性能的相变材料进行有机结合，所得相变储能材料具有更高的相变焓和可逆容量，实现相变储能材料的多场景应用。

Description

一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料及其制备方法
技术领域
本发明属于相变储能材料领域，具体涉及一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料及其制备方法。
背景技术
由于煤炭、石油等目前频繁使用的传统化石能源并不是取之不尽用之不竭的，加上全球温室效应的加剧和能源价格的上升，怎样提高能源的使用率同时加快使用新型绿色环保能源是解决全球关于能源问题的迫切需要。除此之外，节能减排也是为应对能源问题所造成的气候变化的必要手段，开发制造更高效、更廉价的储能技术是解决能源危机的一个十分重要的选择，现今的储能技术主要分为机械能储能体系、电储能体系和热能储能体系，其中，热量储存技术可分为显热储能、潜热储能和化学能储能三种。
潜热储能(latent heat storage)即利用材料在相变过程中进行能量储存的方式，它是利用吸收或释放相变潜热达到蓄热的目的。融化过程(固液态转变)、气化过程(液气态转变)以及升华过程(固气态转变)都会从环境中吸收热量。进行逆过程时，将释放相变热。人们可以通过潜热材料将其有效的利用起来。因此，一旦潜热储能材料在生活中被广泛应用，它将是最佳节能环保的绿色载体，能够将太阳能、工业余热、地热能、废热等浪费的间歇性能源利用起来。利用相变材料(phase change material，PCM)的这种特性可以实现储能调温功能。
由于PAN(聚丙烯腈)和沥青是工业碳纤维的常用原料，所以在研究中常以PAN作为碳材料的碳源。除此之外，聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、聚苯并咪唑(PBI)、聚偏氟乙烯(PVDF)、酚醛树脂和木质素等聚合物也被用作碳源。为了将静电纺丝聚合物纤维转化为碳纤维，通常需1000℃左右的高温碳化。理论上，任何以碳为骨架的聚合物都可以作为碳材料的前驱体。PAN和沥青作为碳纤维前驱体时，为了维持纤维的结构，在碳化之前需要进行预氧化处理。在预氧化和碳化处理的过程中，纤维的质量减少、直径缩小。
乳液静电纺丝是一种能够一步制备出具有核壳结构纳米纤维的技术方法。一般情况下，乳液静电纺丝液主要是利用油包水型的两相分散体系，在乳液中形成外部的聚合物有机溶液连续相与内部的水溶液分散相，同时使用两亲性质的乳化剂促进外相与内相之间的相互作用进而形成稳定的乳液。乳液静电纺丝相对于同轴静电纺丝可控性更好，应用领域更广泛，在制备功能纤维方面有着特殊的意义。
现有的储能纤维材料存在相变焓不高、力学性能相对较低，材料的热稳定性和导热性不佳的问题。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料的制备方法。本发明方法将新型乳液静电纺丝纤维制备技术与传统相变材料进行有机结合，发挥各自优势，制备一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的具有皮芯纤维结构的相变储能材料。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)油相溶液的制备：将聚丙烯腈溶解于有机溶剂中，然后加入相变储能颗粒搅拌混合均匀，得到油相溶液；
(2)水相溶液的制备：将水溶性相变材料溶于去离子水中，得到水相溶液，或者直接使用去离子水作为水相溶液；
(3)将水相溶液加入到油相溶液中，加入乳化剂均质分散，得到油包水型乳液，然后将油包水型乳液通过静电纺丝得到具有皮芯结构复合纤维材料；
(4)将具有皮芯结构复合纤维材料通过冷冻干燥处理，除去皮芯结构复合纤维材料的芯层水分，得到中空纤维材料；
(5)将中空纤维材料在惰性气氛下经过预氧化和碳化处理，得到具有皮芯纤维结构的相变储能材料。
优选地，步骤(1)中所述有机溶剂为N，N二甲基甲酰胺。
优选地，步骤(1)中所述相变储能颗粒为ZnO、SnO2、Fe3O4、Co3O4和TiO2颗粒中的至少一种；相变储能颗粒直径为50～500nm。颗粒过大，不能得到很好的包覆，得到的纺丝纤维是串珠状形貌；颗粒过小，相变储能颗粒颗粒会发生严重的团聚作用，不能得以很好的分散。
优选地，步骤(1)中所述聚丙烯腈与相变储能颗粒的质量比为(0.5～0.8):(0.05～0.1)。
优选地，步骤(2)中所述水溶性相变材料为CaCl2·6H2O、SrCl2·6H2O和SnCl2中的至少一种。
优选地，步骤(3)中所述乳化剂为司盘、吐温、十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠中的至少一种；更优选的乳化剂是司盘80，司盘80是一种非离子型的表面活性剂，它的HLB值(亲水疏平衡值)是4.3，适合用作油包水体系乳液的化剂，能够有效保证乳液的稳定性，有利于乳液静电纺丝过程中乳液状态的维持，避免分层现象的产生。
优选地，步骤(4)中所述冷冻干燥的时间为12～24h，通过冷冻干燥能够在不破坏纤维原始形貌的基础上除去水分，实现中空纤维的制备。
优选地，步骤(5)预氧化温度为200～400℃，保温时间0.5～10h；所述碳化温度为550～1100℃，保温时间1～24h，升温速率为0.1～10℃/min，气体流率为5～500ml/min，惰性气氛为氩气或者氮气。
更优选地，步骤(5)中所述预氧化的温度为250～280℃，保温时间为2～2.5h，升温速率为2～3℃/min。若升温速率小于2℃/min，则预氧化的时间太长；若升温速率大于3℃/min，则可能会先发生副反应。预氧化的温度小于200℃，则不能完成预氧化反应；若预氧化的温度大于400℃，则纤维可能会因过热而熔化或燃烧。所述碳化处理的温度为600～650℃，碳化时间为3～6h。若碳化温度小于600℃，时间小于3h，则H、N等非碳元素无法从纤维中脱出干净；若碳化温度大于650℃，时间大于6h，则碳纤维的强度会下降。
一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料，通过上述方法制备得到。
进一步地，所述具有皮芯纤维结构的相变储能材料的可逆容量为50～250mAh/g，热焓值为100～300J/g。
相比现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)相比于同轴静电纺丝，本发明通过乳液静电纺丝实现一步法制备皮芯结构纤维，避免使用复杂的设备仪器，减少复杂进液推进装置带来的不便，提高皮芯复合纤维的制备效率。
(2)通过冷冻干燥、预氧化和碳化得到具有皮芯纤维结构的相变储能材料，借助多种后处理手段控制材料的结构与形貌，同时中空多孔纤维结构能够给予相变材料一定的相变空间，提高能量存储效率。
(3)将新型的纤维制备技术与高性能的相变材料进行有机结合、发挥各自优势，制备具有更高相变焓、热稳定性、更高导热系数、更好力学性能的新型相变材料；并且根据不同的使用场景，通过成分与参数的调控，实现相变储能材料的多场景应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将0.5g的聚丙烯腈加入到5ml的N，N二甲基甲酰胺中，待完全溶解之后再加入0.05gZnO颗粒，充分混合搅拌均匀，得到油相溶液；将0.1g的CaCl·6H2O加入到1ml的去离子水当中，得到水相溶液；将水相溶液加入到油相溶液当中，并加入0.01g司盘80，通过高速均质分散机乳液10min，得到油包水型乳液，然后将油包水型乳液通过静电纺丝得到具有皮芯结构复合纤维材料；将具有皮芯结构复合纤维材料通过冷冻干燥12h，除去皮芯结构复合纤维材料的芯层水分，得到中空纤维材料；将得到的中空纤维材料在管式炉中氮气气氛下经历预氧化(200℃、10h)和碳化(550℃、24h)过程，得到具有皮芯纤维结构的相变储能材料。
本实施例得到的具有皮芯纤维结构的相变储能材料可逆容量为50mAh/g，热焓值为100J/g，TG测试下的保重率为91.26％，导热系数为1.03W/(m·℃)，抗压强度20.8MPa；相变储能材料导电性好，电化学性能稳定，而且机械柔韧性优异，并且具有非常好的循环稳定性。
实施例2
将0.8g的聚丙烯腈加入到10ml的N，N二甲基甲酰胺中，待完全溶解之后再加入0.1g TiO2颗粒，充分混合搅拌均匀，得到油相溶液；将1g的SrCl2·6H2O加入到5ml的去离子水当中，得到水相溶液；将水相溶液加入到油相溶液当中，并加入0.1g烷基硫酸钠，通过高速均质分散机乳液10min，得到油包水型乳液，然后将油包水型乳液通过静电纺丝得到具有皮芯结构复合纤维材料；将具有皮芯结构复合纤维材料通过冷冻干燥24h，除去皮芯结构复合纤维材料的芯层水分，得到中空纤维材料；将得到的中空纤维材料在管式炉中氮气气氛下经历预氧化(400℃、0.5h)和碳化(1100℃、1h)过程，得到具有皮芯纤维结构的相变储能材料。
本实施例得到的具有皮芯纤维结构的相变储能材料可逆容量为250mAh/g，热焓值为300J/g，TG测试下的保重率为93.02％，导热系数为1.17W/(m·℃)，抗压强度22.4MPa；相变储能材料导电性好，电化学性能稳定，而且机械柔韧性优异，并且具有非常好的循环稳定性。
实施例3
将0.7g的聚丙烯腈加入到7ml的N，N二甲基甲酰胺中，待完全溶解之后再加入0.3gSnO2颗粒，充分混合搅拌均匀，得到油相溶液；将2ml的去离子水作为水相溶液；将水相溶液加入到油相溶液当中，并加入0.05g吐温80，通过高速均质分散机乳液10min，得到油包水型乳液，然后将油包水型乳液通过静电纺丝得到具有皮芯结构复合纤维材料；将具有皮芯结构复合纤维材料通过冷冻干燥20h，除去皮芯结构复合纤维材料的芯层水分，得到中空纤维材料；将得到的中空纤维材料在管式炉中氮气气氛下经历预氧化(300℃、5h)和碳化(800℃、8h)过程，得到具有皮芯纤维结构的相变储能材料。
本实施例得到的具有皮芯纤维结构的相变储能材料可逆容量为150mAh/g，热焓值为220J/g，TG测试下的保重率为92.02％，导热系数为1.09W/(m·℃)，抗压强度21.9MPa；相变储能材料导电性好，电化学性能稳定，而且机械柔韧性优异，并且具有非常好的循环稳定性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）油相溶液的制备：将聚丙烯腈溶解于有机溶剂中，然后加入相变储能颗粒搅拌混合均匀，得到油相溶液；
（2）水相溶液的制备：将水溶性相变材料溶于去离子水中，得到水相溶液，或者直接使用去离子水作为水相溶液；
（3）将水相溶液加入到油相溶液中，加入乳化剂均质分散，得到油包水型乳液，然后将油包水型乳液通过静电纺丝得到具有皮芯结构复合纤维材料；
（4）将具有皮芯结构复合纤维材料通过冷冻干燥处理，除去皮芯结构复合纤维材料的芯层水分，得到中空纤维材料；
（5）将中空纤维材料在惰性气氛下经过预氧化和碳化处理，得到具有皮芯纤维结构的相变储能材料；
步骤（1）中所述相变储能颗粒为ZnO、SnO2、Fe3O4、Co3O4和TiO2颗粒中的至少一种；相变储能颗粒直径为50～500nm；
步骤（2）中所述水溶性相变材料为CaCl2·6H2O、SrCl2·6H2O和SnCl2中的至少一种；
步骤（4）中所述冷冻干燥的时间为12～24h；
步骤（5）预氧化温度为200～400℃，保温时间0.5～10h；所述碳化温度为550～1100℃，保温时间1～24h，升温速率为0.1～10℃/min，气体流率为5～500ml/min，惰性气氛为氩气或者氮气。
2.根据权利要求1所述的一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述有机溶剂为N，N二甲基甲酰胺。
3.根据权利要求1所述的一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述聚丙烯腈与相变储能颗粒的质量比为（0.5～0.8）:（0.05～0.1）。
4.根据权利要求1所述的一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述乳化剂为司盘、吐温、十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠中的至少一种。
5.一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料，其特征在于：通过权利要求1～4任一项所述的方法制备得到。
6.根据权利要求5所述的一种具有皮芯纤维结构的相变储能材料，其特征在于：所述具有皮芯纤维结构的相变储能材料的可逆容量为50～250mAh/g，热焓值为100～300J/g。
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