[发明专利]一种多功能相变储能复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种多功能相变储能材料及其制备方法。本发明提供一种相变储能复合材料，所述相变储能复合材料包括多孔碳泡沫和相变材料，所述多孔碳泡沫具有层状空腔结构，同时碳层内具有多级多孔结构；并且所述相变材料被多孔碳泡沫吸附和包封。本发明所得相变储能材料为具有光‑热和电‑热转变的多功能相变储能复合材料，并且所得的相变储能材料具有包封效率高(PEG的负载量为碳泡沫质量6倍左右)，潜热高达160kJ/mol，储能效率高达100％，循环稳定性好，无熔融泄漏。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种多功能相变储能材料及其制备方法。

背景技术

随着社会工业化与生活便利化的高速发展，石化资源被不断消耗，环境污染和全球变暖不断加剧，能源问题和环境问题逐渐成为制约未来社会发展的关键因素。因此开发可再生能源，以及通过储热技术解决能源供需矛盾，成为解决能源问题和环境问题的重要途径。相变储能材料(PCMs)在一定条件下发生物理相态变化，可以实现能量的有效存储和释放，成为储能技术研究中重要的材料基础。PCMs的相变方式主要包括固-液、液-气和固-固相变三种形式，而其中固-液相变储能材料由于相对较低的相变温度和较稳定的性能，其研究和应用最为广泛，其工作原理为：当环境温度高于相变温度时，材料由固态转变为液态并吸收热量；而当环境温度低于相变点时，材料由液态转变为固态释放热量，从而维持环境温度在适宜水平。目前应用广泛的固-液相变材料包括：无机水和盐，有机石蜡和聚乙二醇等。固液相变材料在应用中的主要缺点在于熔融态易泄露的问题，因此通过物理或化学包封防止泄漏是技术关键。

聚乙二醇(PEG)作为一种高分子固-液相变材料，在制备高性能多功能复合PCMs方面展示着一定的优势。然而，PEG存在熔融泄露、低热导率、电绝缘、弱光吸收等缺点，限制了其在储能技术中的广泛应用和发展。解决熔融泄漏问题的有效方法主要包括：1)应用物理或化学的方法使固-液相变材料转变为固-固相变材料；2)物理包封方法，包括封闭和非封闭两类。封闭类以微胶囊法为代表，通过在固-液有机PCM表面包裹一层高分子膜(如EP、PS、PU等)，形成微胶囊相变材料，这样做可以防止泄露挥发，从而降低毒性，并且大表面积的小体积微胶囊可增大换热时的接触，提高热导率；非封闭类则有表面接枝、插层法、熔融浸渗、多孔吸附等方法。其中多孔吸附是将有着微孔/介孔结构、大比表面积和高热导率的轻质材料作为吸附载体，利用毛细管力将有机PCM封装在其中，当外界升温发生相变时，由于毛细管力的作用，液态的PCM将被包封在孔洞中，从而避免相变材料的泄露问题。除此之外，采用导热性高、内部多孔，形成网络交联的载体还能增大复合相变材料的热导率，从而提高热转化效率。常用的多孔载体有膨胀蛭石、膨胀石墨、活性炭、硅藻土等等。目前多孔材料对相变材料的吸附和包封目前主要关注于多孔材料对相变材料的毛细吸附作用，然而对多孔材料有利于包封相变储能材料的结构改性，以及对多孔材料与相变材料的化学作用和物理吸附作用的协同调控还有待系统研究。

另外，聚丙烯腈是重要的碳材料前驱体，相比于其他的碳前驱体材料，聚丙烯腈具有高的热稳定性、高残炭率、并富含N元素，在多孔碳电极以及功能多孔碳材料的研究中备受关注。聚丙烯腈制备碳泡沫的方法，目前主要应用乳液聚合或者通过反相溶液沉淀的方法制备聚丙烯腈微球，再经过高温碳化制备多孔碳。然而这些方法制备过程较复杂，成本较高，制备的碳泡沫密度较高，并且多孔碳碳化过程和成分可调性较小。因此限制了聚丙烯腈碳泡沫在相变储能材料领域中的应用。

现有技术中尚未有用聚丙烯腈制得的具有特定结构的多孔碳泡沫材料来制备相变储能材料的相关报道。

发明内容

本发明的目在于提供一种形状稳定的并具有光-热和电-热转变的多功能相变储能复合材料，该复合材料是将聚丙烯腈共聚物水凝胶高温碳化制备得到的具有化学组成和石墨化程度可调的多级多孔碳材料吸附和包封相变材料而制得的。本发明制备的相变储能材料具有包封效率高(PEG的负载量为碳泡沫质量6倍左右)，潜热高达160kJ/mol，储能效率高达100％。

本发明的技术方案：