CN109880597A - 一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料及其制备方法。所述方法包括如下步骤：将十二水合硫酸铝钾、熔点改性剂和成核剂制成改性十二水合硫酸铝钾；然后将改性十二水合硫酸铝钾熔融，加入膨胀石墨，搅拌处理，冷却得到所述改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。本发明提供的制备方法，通过调整熔点改性剂重量份数可得到相变温度可控的复合相变蓄热材料，所述复合材料过冷度小、热导率高，从而拓宽水合盐复合相变蓄热材料的应用范围。本发明提供的制备方法具有成本低、制备工艺简单的优势，表明其具有极好的市场竞争优势。

Description

一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料及 其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料蓄热技术领域，具体涉及一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料及其制备方法。

背景技术

新能源的开发和利用是21世纪以来全球面临的重大难题，与此同时，提高能源的利用效率也是不容忽视的，对于低品位热能的回收再利用对提高能源利用率具有重大意义。

其中，相变蓄热技术因其蓄热容量大、蓄放热过程中能量品味降低不明显吸引了众多学者。相变材料是相变蓄热技术的载体，在具体的相变蓄热技术应用过程中，要求用于蓄热的相变材料温度与应用环境温度相一致，以此保证能源的高效利用。但是对于单一相变储热材料而言，均具有特定的相变温度，同时适宜用作蓄热的相变材料种类有限。因此出现所需温度与蓄热材料相变温度之间不匹配问题，限制了相变材料的实际工业化应用。

为了满足各种应用背景下的温度要求，可以通过添加熔点改性剂来改变相变材料的相变温度，由此实现材料相变温度可调，有效解决单一相变材料应用时的所带来的关键问题，拓宽其应用范围。此外，对于绝大多数固-液相变材料，存在液态流动性、过冷度大、热导率低等缺点，因此非常有必要研发出高导热的复合相变材料。目前还未见关于十二水合硫酸铝钾相关的专利或成果发表，因此本发明可作为相关领域的研究基础。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料及其制备方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供复合相变蓄热材料是一种具有很好导热性能、无相分离、过冷度极小且相变温度可控的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合材料。

本发明提供的一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料，由改性十二水合硫酸铝钾和膨胀石墨复合而成的。

进一步地，改性十二水合硫酸铝钾是由十二水合硫酸铝钾、熔点改性剂和成核剂制成的。

本发明将改性十二水合硫酸铝钾置于80-100℃的水浴锅中水浴加热成熔融态，加入膨胀石墨，在80-100℃的水浴锅中水浴加热6-8h，物理吸附过程中不断的搅拌，之后取出密封冷却至室温，即得到所述改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。

本发明提供的一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将十二水合硫酸铝钾、熔点改性剂及成核剂混合均匀，置于水浴锅中水浴加热至熔融态，搅拌处理后，混合均匀，密封冷却至室温得到改性十二水合硫酸铝钾（改性无机水合盐）；

（2）将膨胀石墨加入到步骤（1）所述改性十二水合硫酸铝钾中，边加边搅拌，得到混合物；

（3）在搅拌状态下，将步骤（2）所述混合物进行水浴加热处理，搅拌均匀，密封冷却至室温得到所述改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。

进一步地，按重量份数计，所述改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的原料，包括如下重量份数的物质：

十二水合硫酸铝钾 90-98份；

熔点改性剂 2-10份；

成核剂 0.2-1.0份；

膨胀石墨 3-30份。

进一步地，十二水合硫酸铝钾和熔点改性剂两者重量份数总和为100份。

进一步地，所述熔点改性剂为丙氨酸或尿素中的一种以上。

进一步地，所述成核剂为九水偏硅酸钠、硼酸钠或纳米氧化铝中的一种以上。

进一步地，步骤（1）所述水浴加热至熔融态的温度为80-100℃。

优选地，步骤（1）所述搅拌方式可以为磁力搅拌。

进一步地，步骤（1）所述搅拌处理的搅拌速率为200-400rpm；搅拌处理的时间为2-3h。

进一步地，步骤（2）所述边加边搅拌的搅拌速率为50-200rpm。

进一步地，步骤（3）所述在搅拌状态下的搅拌速率为50-200rpm；所述搅拌状态为间歇式搅拌，每隔20-60min搅拌一次，每次搅拌的时间为1-5min，第一次搅拌为在开始水浴加热后的20-60min时搅拌。

进一步地，步骤（3）所述水浴加热处理的温度为80-100℃；水浴加热处理的时间为6-8h。

本发明提供一种由上述的制备方法制得的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。

本发明提供的制备方法，通过调整熔点改性剂添加量可获得不同相变温度的改性十二水合硫酸铝钾，从而获得温度可控的有机-无机改性十二水合硫酸铝钾；由于膨胀石墨多孔介质结构使得相变材料分布在狭小空间，受到膨胀石墨鳞片的限制作用，从而可进一步降低其过冷度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明制备的改性十二水合硫酸铝钾具有可控的相变温度，能够满足不同应用需求；

（2）本发明制备的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料无相分离、过冷度低、热导率高；

（3）本发明提供的制备方法步骤简单、条件温和及成本低。

附图说明

图1是本发明实施例1中改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料和十二水合硫酸铝钾的单向差示扫描量热图。

图2是本发明实施例2中改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的单向差示扫描量热图。

图3是本发明实施例3中改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的单向差示扫描量热图。

图4是本发明实施例4中改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的单向差示扫描量热图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

以下实施例及对比例所用到的重量（质量）份数，作为举例，一份重量可以为1g，也可以是本领域常用的任意其他用量。

实施例1

一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料，由以下重量份（克）的原料组成：十二水合硫酸铝钾90份，丙氨酸10份，九水偏硅酸钠1.0份，膨胀石墨10份。

一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的制备方法，包括如下的步骤：

1）室温下，向密封玻璃瓶中加入90g十二水合硫酸铝钾，10g丙氨酸，1.0g九水偏硅酸钠，混合均匀，置于100℃水浴锅中水浴加热至熔融态，然后在熔融态下磁力搅拌2h（搅拌速率为400rpm），得到改性十二水合硫酸铝钾；

2）向步骤1）所得的改性十二水合硫酸铝钾中加入10g膨胀石墨，边加边用玻璃棒搅拌（搅拌速率为50rpm），得到混合物；

3）在搅拌状态下，将步骤2）所述混合物置于80℃水浴锅中水浴加热8h；所述搅拌状态为间歇式搅拌，搅拌速率为50rpm，每隔20min搅拌一次，每次搅拌搅拌的时间为1min，第一次搅拌为在水浴加热后的20min时搅拌，使其混合均匀，得到复合相变蓄热材料；

4）将步骤3）所得的复合相变蓄热材料取出，密封冷却至室温，即得到改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。

对实施例1所得到的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料进行相变特性和热导率测试，其熔化温度为75.50℃，熔化潜热为123.5J/g，热导率为3.300W/m/K。

实施例1制得的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料和作为对照的十二水合硫酸铝钾的单向差示扫描量热结果，如图1所示。十二水合硫酸铝钾的熔化温度为91.11℃，熔化潜热为250.8J/g；实施例1制得的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的熔化温度为75.5℃，熔化潜热为123.5J/g。

实施例2：

一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料，由以下重量份（克）的原料组成：十二水合硫酸铝钾92份，丙氨酸8份，硼酸钠0.6份，膨胀石墨22份。

一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的制备方法，包括如下的步骤：

1）室温下，向密封玻璃瓶中加入92g十二水合硫酸铝钾，8g丙氨酸，0.6g硼酸钠，混合均匀，置于95℃水浴锅中水浴加热至熔融态，磁力搅拌2.5h（搅拌速率为300rpm），得到改性十二水合硫酸铝钾；

2）向步骤1）所得的改性十二水合硫酸铝钾中加入22g膨胀石墨，边加边用玻璃棒搅拌（搅拌速率为100rpm），得到混合物；

3）在搅拌状态下，将步骤2）所述混合物置于90℃水浴锅中水浴加热7h，所述搅拌状态为间歇式搅拌，搅拌速率为100rpm，每隔30min搅拌一次，每次搅拌的时间为2min，第一次搅拌为在水浴加热后的30min时搅拌，使其混合均匀，得到复合相变蓄热材料；

4）将步骤3）所得的复合相变蓄热材料取出，密封冷却至室温，即得到改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。

对实施例2所得到的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料进行相变特性和热导率测试，图2的单向差示扫描量热图结果显示，其熔化温度为75.65℃，熔化潜热为108.1J/g，热导率为8.955W/m/K。

实施例3

一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料，由以下重量份（克）的原料组成：十二水合硫酸铝钾98份，尿素2份，纳米氧化铝0.2份，膨胀石墨30份。

一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的制备方法，包括如下的步骤：

1）室温下，向密封玻璃瓶中加入98g十二水合硫酸铝钾，2g尿素，0.2g纳米氧化铝，混合均匀，置于90℃水浴锅中水浴加热至熔融态，磁力搅拌3h（搅拌速率为200rpm），得到改性十二水合硫酸铝钾；

2）向步骤1）所得的改性十二水合硫酸铝钾中加入30g膨胀石墨，边加边用玻璃棒搅拌（搅拌速率为200rpm），得到混合物；

3）在搅拌状态下，将步骤2）所述混合物置于95℃水浴锅中水浴加热8h，所述搅拌状态为间歇式搅拌，搅拌速率为200rpm，每隔60min搅拌一次，每次搅拌搅拌的时间为5min，第一次搅拌为在水浴加热后的60min时搅拌，使其混合均匀，得到复合相变蓄热材料；

4）将步骤3）所得的复合相变蓄热材料取出，密封冷却至室温，即得到改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。

对实施例3所得到的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料进行相变特性和热导率测试，图3的单向差示扫描量热图结果显示，其熔化温度为78.15℃，熔化潜热为135.3J/g，热导率为3.616W/m/K。

实施例4：

一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料，由以下重量份（克）的原料组成：十二水合硫酸铝钾94份，尿素6份，九水偏硅酸钠0.6份，膨胀石墨3份。

一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的制备方法，包括如下的步骤：

1）室温下，向密封玻璃瓶中加入94g十二水合硫酸铝钾，6g尿素，0.6g九水偏硅酸钠，混合均匀，置于80℃水浴锅中水浴加热至熔融态，然后在熔融态下磁力搅拌2h（搅拌速率为280rpm），得到改性十二水合硫酸铝钾；

2）向步骤1）所得的改性十二水合硫酸铝钾中加入3g膨胀石墨，边加边用玻璃棒搅拌（搅拌速率为70rpm），得到混合物；

3）在搅拌状态下，将混合物置于100℃水浴锅中水浴加热6h，所述搅拌状态为间歇式搅拌，搅拌速率为180rpm，每隔40min搅拌一次，每次搅拌搅拌的时间为4min，第一次搅拌为在水浴加热后的60min时搅拌，使其混合均匀，得到复合相变蓄热材料；

3）将步骤2）所得的复合相变蓄热材料取出，密封冷却至室温，即得到改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。

对实施例4所得到的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料进行相变特性和热导率测试，图4的单向差示扫描量热图结果显示，其熔化温度为78.44℃，熔化潜热为105.7J/g，热导率为1.934W/m/K。

通过实施例1-4可见，本发明提供的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的熔化温度为75-80℃，低于十二水合硫酸铝钾的91.11℃，能够充分拓展其应用领域，热导率均超过1.9 W/m/K，可明显提高蓄放热速率。

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将十二水合硫酸铝钾、熔点改性剂及成核剂混合均匀，水浴加热至熔融态，搅拌处理后，密封冷却至室温得到改性十二水合硫酸铝钾；

（2）将膨胀石墨加入到步骤（1）所述改性十二水合硫酸铝钾中，边加边搅拌，得到混合物；

（3）在搅拌状态下，将步骤（2）所述混合物进行水浴加热处理，密封冷却至室温得到所述改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按重量份数计，所述改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料的原料，包括如下重量份数的物质：

十二水合硫酸铝钾 90-98份；

熔点改性剂 2-10份；

成核剂 0.2-1.0份；

膨胀石墨 3-30份。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述熔点改性剂为丙氨酸或尿素中的一种以上。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述成核剂为九水偏硅酸钠、硼酸钠或纳米氧化铝中的一种以上。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述水浴加热至熔融态的温度为80-100℃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述搅拌处理的搅拌速率为200-400rpm；搅拌处理的时间为2-3h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述边加边搅拌的搅拌速率为50-200rpm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述在搅拌状态下的搅拌速率为50-200rpm；所述搅拌状态为间歇式搅拌，每隔20-60min搅拌一次，每次搅拌的时间为1-5min，第一次搅拌为在开始水浴加热后的20-60min时搅拌。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述水浴加热处理的温度为80-100℃；水浴加热处理的时间为6-8h。

10.一种由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的改性十二水合硫酸铝钾/膨胀石墨复合相变蓄热材料。