[發明專利]一種相變復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110627259.9
• 申請日: 2021-06-04
• 公開（公告）號: CN115433546A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 楊睿;趙敏;尹林植;葉焱;韓東伯
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C09K5/06
• 分類號: C09K5/06;C09K5/14
• 代理公司: 北京彩和律師事務所 11688
• 代理人: 閆桑田;郎雨

公開一種相變復合材料，包括：膨脹石墨，和位于膨脹石墨的孔隙中及片層上的相變微膠囊；相變微膠囊包括囊壁和囊芯，囊壁包括壁材，囊芯包括芯材；壁材選自聚苯乙烯、聚氨酯、聚脲、聚丙烯酸酯中的任意一種或兩種以上的組合；芯材為石蠟。還公開一種相變復合材料，其先由膨脹石墨充分吸附芯材和壁材單體形成復合物前體，然后在水、乳化劑、引發體系氧化劑和引發體系還原劑的作用下，在膨脹石墨的孔隙中及片層上原位生成具有核殼結構的相變微膠囊，從而制得相變復合材料。還公開一種前述相變復合材料的制備方法。本申請的相變復合材料成本低廉、環境友好、相變潛熱高、包覆率高、導熱性能好、能夠有效地阻礙泄漏，并具有良好的熱循環穩定性。

技術領域

本發明涉及一種相變復合材料及其制備方法和應用，特別是以石蠟為儲能材料的相變復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

近年來，為緩解環境污染，促進可持續發展，相變材料(PCM)的應用研究已經擴展到了建筑節能、保溫服裝、儲能炊具、軍事偽裝等方面。相變材料是指物質發生相變時能夠吸收或釋放熱量而該物質本身溫度保持不變或變化不大的一種材料。相變材料根據相變形式主要分為固-固相變、固-液相變、固-氣相變、液-氣相變材料；按照相變溫度范圍可分為高、中、低溫相變材料；按照成分可分為有機、無機相變材料。其中，石蠟類有機固液相變材料具有儲能密度高、相變溫度區間窄、化學惰性好、成本低等優點而廣受關注，但石蠟等有機物的導熱系數低，在固液相變過程中易發生泄漏，且易燃，嚴重制約了其在儲能中的應用。

微膠囊技術是一種用成膜材料包覆液體或固體，使之形成微米級或毫米級顆粒的技術。采用具有核殼結構的微膠囊技術，將相變材料封裝在具有一定硬度的膠囊內形成相變材料微膠囊，是提高相變材料傳熱面積、控制體積變化、防止泄漏的有效途徑。目前研究的相變微膠囊很難同時滿足相變潛熱高、包覆率高、導熱性能好、不泄漏等要求。

專利文獻1公開的儲能微膠囊包括芯材和壁材，所述壁材為高分子聚合物，其特征在于，將相變材料通過真空熔融吸附到無機粉體中所制備的復合相變材料，焓值為80～90kJ/kg。這種復合相變材料嚴格來說不能叫做微膠囊，而且由于吸附和解吸是可逆的，因此不可避免地會存在相變材料泄漏的問題，限制了該復合相變材料的應用領域。其微膠囊制備過程是先吸附再包覆，因此吸附量有限，復合材料焓值較低，儲熱能力有限；且其并沒有提及導熱性能。

此外，許多高導熱填料，如金屬和各種碳材料(碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯等)被引入到膠囊壁材當中。例如，專利文獻2在相變微膠囊的壁材中引入碳粉、鋁粉、氮化鋁粉及碳纖維等導熱填料，用以提高其導熱性能，但導熱填料和相變微膠囊的密度差異較大，制備過程中易沉降，不易復合到微膠囊中。專利文獻2中導熱填料加入時機為包封反應進行1～2h之后，導熱填料如碳粉、碳纖維的尺寸大，所得微膠囊的尺寸大于10μm；鋁粉、氮化鋁粉等與PCM的密度差異極大，不易被包封，專利文獻2中也未提及顆粒的物理穩定性；如專利文獻2提供的表格所示，導熱填料由5％增加至30％時，熱導率僅從0.32W/(m·k)提升到0.56W/(m·k)，導熱填料添加量較大，而熱導率的提升有限；同時，當導熱填料的添加量達到30％時，焓值大幅降低。

專利文獻3采用納米銅和石墨烯納米片提高相變微膠囊的導熱性能，同樣具有上述問題。且隨著導熱填料添加量的增加會導致相變焓值明顯下降，膠囊發生團聚，用量過多時則不能形成微膠囊。此外，專利文獻3中的芯材和壁材均設置有納米銅和納米石墨烯片，并期望改善3種特性：1)通過改變微膠囊顆粒的密度來改善其在基液中的懸浮穩定性(即不發生分層)；2)改善導熱性；3)改善過冷度；但其實施例中并沒有上述效果改善的數據。

因此，迫切需要一種高焓值、高導熱、高包覆率、低泄漏的相變復合材料及其制備方法。

現有技術文獻

專利文獻1CN107556973A公告文本

專利文獻2CN104357019A公告文本

專利文獻3CN106957635A公告文本

發明內容