CN112574714B - 石墨烯相变复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯相变复合材料的制备方法，包括(1)将基底浸渍氧化石墨烯溶液，得到氧化石墨烯包覆的基底；(2)将浸渍氧化石墨烯的基底烧蚀掉，得到空心氧化石墨烯纤维；(3)将空心氧化石墨烯纤维放置在保护气氛下的高温炉中进行高温还原，得到空心石墨烯纤维；(4)将相变材料加热至熔融状态，再将空心石墨烯纤维放置入熔融态的相变材料中，使相变材料浸渍入空心石墨烯纤维中；(5)将浸渍完相变材料的石墨烯纤维取出后，在室温下熔融状态的相变材料在空心氧化石墨烯纤维的内部重新结晶，得到石墨烯相变复合材料。

Description

石墨烯相变复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体是一种石墨烯相变复合材料的制备方法。
背景技术
相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。相变材料可分为有机和无机相变材料。亦可分为水合盐相变材料和蜡质相变材料。
我们最常见的相变材料非水莫属了，当温度低至0℃时，水由液态变为固态(结冰)。当温度高于0℃时水由固态变为液态(溶解)。在结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量，而在溶解过程中吸收大量的热能量。冰的数量(体积)越大，溶解过程需要的时间越长。这是相变材料的一个最典型的例子，从该例子可看出，相变材料实际上可作为能量存储器。这种特性在节能，温度控制等领域有着极大的意义。因此，相变材料及其应用成为广泛的研究课题。
石墨烯是一种单分子层二维晶体，具有已知材料最高的强度，超常的比表面积以及优异的导电性和导热性，是目前最理想的二维纳米材料。宏观组装的石墨烯膜充分发挥了石墨烯表面积大，强度高，导热性优异的特性。复合相变储热材料的应运而生，它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯相变复合材料的制备方法，能大幅提升相变复合材料的热导率。
实现本发明目的的基本技术方案是：一种石墨烯相变复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将基底浸渍到氧化石墨烯溶液中，溶液中氧化石墨烯的浓度为1-50mg/mL，浸渍时间为10-120min，使氧化石墨烯贴附在基底的纤维表面，得到氧化石墨烯包覆的基底，将该基底捞出，烘干，得到浸渍氧化石墨烯的基底；
(2)将浸渍氧化石墨烯的基底进行烧蚀，所述烧蚀温度为300-500℃，环境为空气气氛下，烧蚀时间为30-60min，将基底烧蚀掉，得到空心氧化石墨烯纤维；
(3)将空心氧化石墨烯纤维进行高温还原，所述温度为900-1050℃，时间为10-30min，得到空心石墨烯纤维；
(4)将相变材料加热至熔融状态，再将空心石墨烯纤维放置入熔融态的相变材料中，使相变材料浸渍入空心石墨烯纤维中；
(5)将浸渍完相变材料的石墨烯纤维取出后，在室温下熔融状态的相变材料在空心氧化石墨烯纤维的内部重新结晶，得到石墨烯相变复合材料。
以上述基本技术方案为基础的进一步技术方案是：所述步骤(1)中将氧化石墨烯分散在DMF或NMP中制得氧化石墨烯溶液。
以上述相应技术方案为基础的进一步技术方案是：所述步骤(1)中的基底为无纺布。
以上述相应技术方案为基础的进一步技术方案是：所述无纺布的材质为涤纶、丙纶、锦纶、氨纶或腈纶。
以上述相应技术方案为基础的进一步技术方案是：所述步骤(1)中氧化石墨烯层的厚度为0.1-10μm。
以上述相应技术方案为基础的进一步技术方案是：所述步骤(1)中烘干温度为80℃，时间为30min。
以上述相应技术方案为基础的进一步技术方案是：所述步骤(3)中保护气氛为氢气或氮气。
以上述相应技术方案为基础的进一步技术方案是：所述步骤(4)中的相变材料为CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、Na2CO3·10H2O、CH3COONa·3H2O、Na2HPO4·12H2O、Mg(NO3)2·6H2O、MgCl2·6H2O中的两种或者两种以上的组合物。
本发明具有以下的有益效果：(1)本发明的石墨烯相变复合材料的制备方法将空心石墨烯纤维作为复合材料中的热传导通道，大大增强了相变材料的热导率，对比例1中未添加石墨烯的相变材料的热导率为0.21W/(m·K)，本发明的石墨烯相变复合材料的热导率最大可达4.14W/(m·K)，热导率为原来的近20倍。(2)本发明将空心石墨烯纤维无纺布形成完整的导电网络，能使相变材料快速的完成热量传递。(3)本发明的空心石墨烯纤维壁可以作为相变材料的形核点，能抑制相变材料发生相分离。(4)本发明的方法制备的石墨烯相变复合材料，相变材料填充在空心石墨烯纤维的内部，相变发生时相变材料会依附在石墨烯纤维壁上结晶，不会出现过冷现象。
具体实施方式
(实施例1)
本发明的石墨烯相变复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)将氧化石墨烯分散在DMF(二甲基甲酰胺)或NMP(N甲基吡咯烷酮)溶剂中制得氧化石墨烯溶液。将基底浸渍到氧化石墨烯溶液中，本实施例以无纺布为基底，所用的无纺布的材质为涤纶、丙纶、锦纶、氨纶或腈纶。溶液中氧化石墨烯的浓度为1-50mg/mL(本实施例中为1mg/ml)，浸渍时间为10-120min(本实施例中为20min)，使氧化石墨烯贴附在无纺布的纤维表面，得到氧化石墨烯包覆的无纺布，氧化石墨烯层的厚度为0.1-10μm(本实施例中为0.1μm)，将浸渍完的无纺布捞出，在烘箱中烘干，烘干温度为80℃，时间为30min。氧化石墨烯浓度越大，浸渍时间越长，得到的氧化石墨烯层的厚度就越大。
(2)将浸渍氧化石墨烯的基底放置在高温炉中，将基底烧蚀掉。烧蚀温度为300-500℃，环境为空气气氛，时间为30-60min，得到空心氧化石墨烯纤维。
(3)将空心氧化石墨烯纤维放置在保护气氛(氢气或氮气)下的高温炉中进行高温还原，所述温度为900-1050℃，时间为10-30min，得到空心石墨烯纤维。
(4)将相变材料加热至熔融状态，再将空心石墨烯纤维放置入熔融态的相变材料中，使相变材料浸渍入空心石墨烯纤维中。
相变材料为CaCl2·6H2O或Na2SO4·10H2O或Na2CO3·10H2O或CH3COONa·3H2O或Na2HPO4·12H2O或Mg(NO3)2·6H2O或MgCl2·6H2O等中的两种或者两种以上的组合物。本实施例的相变材料采用MgCl2·6H2O和Na2SO4·10H2O混合，二者质量比为1：1。
(5)将浸渍完相变材料的石墨烯纤维取出后，在室温下熔融状态的相变材料在空心氧化石墨烯纤维的内部重新结晶，得到石墨烯相变复合材料。
本实施例1的石墨烯相变复合材料的热导率用LFA447激光导热仪进行测试，结果为0.48W/(m·K)。
(实施例2)
本实施例其余与实施例1相同，其不同之处在于：
步骤(1)中氧化石墨烯浓度为30mg/ml时，浸渍60min，氧化石墨烯层厚度为10μm。
步骤(4)中的相变材料采用MgCl2·6H2O和Na2SO4·10H2O混合，二者质量比为1：1。
本实施例的石墨烯相变复合材料的热导率用LFA447激光导热仪进行测试结果为4.14W/(m·K)。
(实施例3)
本实施例其余与实施例1相同，其不同之处在于：步骤(1)中氧化石墨烯浓度为15mg/ml时，浸渍40min，氧化石墨烯层厚度为1μm。
步骤(4)中的相变材料采用MgCl2·6H2O和Na2SO4·10H2O混合，二者质量比为1：1。
本实施例的石墨烯相变复合材料的热导率用LFA447激光导热仪进行测试结果为1.06W/(m·K)。
(实施例4)
本实施例其余与实施例1相同，其不同之处在于：步骤(1)中氧化石墨烯浓度为30mg/ml时，浸渍30min，氧化石墨烯层厚度为5μm。
步骤(4)中的相变材料采用MgCl2·6H2O和Na2SO4·10H2O混合，二者质量比为1：1。
本实施例的石墨烯相变复合材料的热导率用LFA447激光导热仪进行测试结果为2.59W/(m·K)。
对比例1
本对比例的相变材料采用MgCl2·6H2O和Na2SO4·10H2O混合，二者质量比为1：1。热导率用LFA447激光导热仪进行测试结果为0.21W/(m·K)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种石墨烯相变复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将氧化石墨烯分散在DMF或NMP中制得氧化石墨烯溶液，将无纺布基底浸渍到氧化石墨烯溶液中，溶液中氧化石墨烯的浓度为1-50mg/mL，浸渍时间为10-120min，使氧化石墨烯贴附在基底的纤维表面，得到氧化石墨烯包覆的基底，将该基底捞出，烘干温度为80℃，烘干时间为30min，得到浸渍氧化石墨烯的基底；
(2)将浸渍氧化石墨烯的基底进行烧蚀，烧蚀温度为300-500℃，环境为空气气氛下，烧蚀时间为30-60min，将基底烧蚀掉，得到空心氧化石墨烯纤维；
(3)将空心氧化石墨烯纤维进行高温还原，温度为900-1050℃，时间为10-30min，得到空心石墨烯纤维；
(4)将相变材料加热至熔融状态，再将空心石墨烯纤维放置入熔融态的相变材料中，使相变材料浸渍入空心石墨烯纤维中；
(5)将浸渍完相变材料的石墨烯纤维取出后，在室温下熔融状态的相变材料在空心氧化石墨烯纤维的内部重新结晶，得到石墨烯相变复合材料；
其中，所述步骤(4)中的相变材料为CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、Na2CO3·10H2O、CH3COONa·3H2O、Na2HPO4·12H2O、Mg(NO3)2·6H2O、MgCl2·6H2O中的两种或者两种以上的组合物。
2.如权利要求1所述的石墨烯相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述无纺布的材质为涤纶、丙纶、锦纶、氨纶或腈纶。
3.如权利要求1所述的石墨烯相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氧化石墨烯层的厚度为0.1-10μm。
4.如权利要求1所述的石墨烯相变复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中高温还原，保护气氛为氢气或氮气。
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