[发明专利]多孔品质大鳞片石墨基相变储能复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能复合材料领域，具体涉及一种为多孔石墨基相变储能复合材料及其制备方法。

背景技术

将能量储存起来用于满足其它时间或地点的能量需求，对于消除能源供应与需求间不协调的矛盾、提高能源使用效率以及可再生能源的利用都有重要的价值。利用物质在相变过程中吸能和释能的特点，实现能量的储存和利用是近年来在能源、材料、航空航天、纺织、电力、医学仪器、建筑等众多领域中活跃的方向之一。相变储能具有储能密度高、储能温度容易控制和选择范围广等优点，目前在一些领域已经进入实用化和商品化阶段，如美国航空天署(NASA)的Freedom空间站上的太阳能热机发电系统中采用了基于LIF-CaF2优态盐相变储能材料的储热系统，以满足无光期电力的连续供应；在服装领域，已经出现商业化相变储能纤维——outlast纤维，由该纤维纺织制造的服装产品能够收集和储存人体散发的热量，提高服装的保暖能力，在运动服装和极端环境服装方面具有较多的应用。

相变储能材料种类很多，按物质种类可分为有机相变材料和无机相变材料，按相变过程形态可分为固液相变材料、固固相变材料、固气相变材料和液气相变材料等。在建筑领域尝试采用相变储能材料降低建筑能耗已经有较长的历史。从上世界的30年代起，在欧美等地就有人探索在建筑取暖系统中采用变相材料，包括有机相变材料和无机相变材料。出现了第一项相关专利[US 2342211(1944)]一相变储能致冷和取暖器。在1948年，美国麻省理工学院的Telkes博士建造了第一座利用相变储能材料储存和利用太阳能的实验房——Dover House。70年代的能源危机进一步促进了能源利用技术的研究和发展。相变储能材料的研发由带有民间色彩的松散行为转变为由国家机构，甚至国际组织统一协调。1982年美国的能源部首先启动了这方面的研发工作。近年来，国际能源机构(International Energy Agency IEA)也开展了相变储能材料在建筑节能领域方面运用的研究和应用计划(Annex10和17)，由欧、美、日等一些发达国家参与。相继取得了一些成果，如采用封装技术把各种有机相变物质封装在高密度聚乙烯、聚缩醛和聚脲等聚合物中，制备形状比较固定的相变材料；或采用交联聚缩醛和纤维素接枝共聚物等高分子材料制备相变材料。纵观目前相变储能材料在建筑节能中的应用情况，主要存在如下问题：

(1)导热性能不佳：由于目前采用的基体材料的导热系数普遍偏小，导致相变储能复合材料在相变过程中的导热换热性能很差，影响了其储能——释能的效率。

(2)储能量低：由于多孔介质孔隙率较小，复合材料内含相变材料较少，导致复合材料的储能量偏低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种导热性能好、储能量高的储能复合材料及其制备方法。

本发明提出的储能复合材料，采用多孔石墨作为基体材料，再浸渗有机相变材料构成。其中多孔石墨是由天然鳞片石墨经过插层、膨化、压缩程序制备而成；有机相变材料包括结晶性直链脂肪酸、烷烃、酯类及其混合物等有机材料之一种。

本发明为多孔石墨基相变储能复合材料。由于多孔石墨具有非常高的导热系数和孔隙率，可以有效克服目前相变储能复合材料普遍存在的导热性能差和储能量低等问题。

上述多孔石墨基相变储能复合材料的制备包括如下二个步骤：

(1)多孔石墨的制备

(a)插层：以天然鳞片石墨为原材料，采用热化学方法对其进行插层处理。采用浓硫酸和高锰酸钾分别作为插层剂和氧化剂。将洗净烘干的鳞片石墨与插层剂、氧化剂等混合，在恒温水浴条件下搅拌加热一定时间。然后过滤和用水清洗混合物至一定的PH值。再将该混合物放入烘箱中烘干。插层反应温度能控制在35-80℃之间。混合物的重量比取如下范围：石墨∶插层剂∶氧化剂＝1∶3～10∶0.1～1。搅拌加热时间25分钟。水洗PH值取4.5。烘干温度取75℃，烘干时间7小时。

(b)膨化：采用微波方法膨化石墨插层物。首先称取一定量的石墨插层物，放入陶罐中，然后将陶罐放入普通微波炉中进行膨化。陶罐容积可取500-1500ml。膨化功率取在100-500W，膨化时间取45秒。

(c)压缩：将膨化石墨放入圆管或方管中，以截面面积和形状与管内截面面积和形状相同的活塞挤压管内石墨至一定压缩比。一般取压缩比为石墨膨胀比的0.2-0.3。

(2)有机相变材料对多孔石墨的浸渗，可采用下面二中浸渗方法之一种：