本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種利用石墨烯漿液層流剪切構(gòu)筑定向熱傳遞路徑的方法以及儲(chǔ)能應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、相變儲(chǔ)能技術(shù)是一種利用物質(zhì)相變過(guò)程(如固液相變或液氣相變)來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量的技術(shù)。這種技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)，最初主要應(yīng)用于太陽(yáng)能利用和住宅供暖系統(tǒng)的熱存儲(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，相變儲(chǔ)能材料的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，涵蓋了建筑、交通、電子制造等多個(gè)領(lǐng)域。其中相變儲(chǔ)能材料有著顯著的優(yōu)勢(shì)：1.節(jié)能減排：相變儲(chǔ)能技術(shù)可以有效地利用可再生能源(如太陽(yáng)能)來(lái)儲(chǔ)存能量，并在需要時(shí)釋放，從而減少對(duì)傳統(tǒng)能源的需求，減少溫室氣體排放，有助于應(yīng)對(duì)全球變暖和氣候變化問(wèn)題；2.提高能源利用效率：相變儲(chǔ)能材料可以提高能源利用的效率，通過(guò)儲(chǔ)存能量在需要時(shí)釋放，實(shí)現(xiàn)能源的平衡和穩(wěn)定供應(yīng)，減少能源浪費(fèi)；3.多領(lǐng)域應(yīng)用：相變儲(chǔ)能技術(shù)在建筑、交通、電子制造等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，可以為各行業(yè)提供節(jié)能、環(huán)保的解決方案；4.可持續(xù)發(fā)展支持：相變儲(chǔ)能技術(shù)有助于支持可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，促進(jìn)清潔能源的利用和推廣，減少對(duì)不可再生能源的依賴，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展?？紤]到石油等傳統(tǒng)能源資源的不可再生性、污染性以及環(huán)境問(wèn)題，以及對(duì)資源耗竭的擔(dān)憂，發(fā)展高效的清潔能源的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換變得尤為迫切。因此，相變儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，可以為解決能源和環(huán)境問(wèn)題提供有效的解決方案，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。

2、而目前相變儲(chǔ)能復(fù)合材料面臨著一個(gè)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題：定向傳熱效率低。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于優(yōu)化復(fù)合材料的骨架部分，從而得到更高的熱導(dǎo)率。在此方面，石墨烯這種熱門的二維材料顯示出巨大的潛力，因?yàn)樗哂袠O高的面內(nèi)熱導(dǎo)率(介于2000～5000w/m·k)。這種材料在提高熱傳導(dǎo)方面已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用，石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其熱傳導(dǎo)方式與常規(guī)材料不同，這要求石墨烯的骨架結(jié)構(gòu)具有高度的定向性，以充分利用其優(yōu)異的熱導(dǎo)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上高導(dǎo)熱的相變儲(chǔ)能復(fù)合材料的迫切需要，本發(fā)明提供一種利用石墨烯漿液層流剪切構(gòu)筑定向熱傳遞路徑的方法以及儲(chǔ)能應(yīng)用。首先，對(duì)石墨烯漿料進(jìn)行濃縮或者稀釋，通過(guò)冷凍擠壓裝置將石墨烯漿料擠出，由于漿料在流動(dòng)過(guò)程中在不同的高度會(huì)產(chǎn)生不同的流速，從而對(duì)石墨烯納米片層產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力，令石墨烯納米片層發(fā)生偏使其高度取向，通過(guò)層疊和模壓后，得到高面內(nèi)熱導(dǎo)率的石墨烯骨架。在真空輔助灌注的方式下灌注相變材料獲得高導(dǎo)熱的石墨烯基相變儲(chǔ)能復(fù)合材料。具體是按照以下步驟進(jìn)行的：

2、1)石墨烯/聚乙烯醇定向復(fù)合材料的制備：將濃度為0.5wt％-15wt％的石墨烯漿料與水溶性高分子(二者的質(zhì)量比例為1：3)混合后置于行星攪拌器中以1000-5000r/min的速率攪拌1.5h，其間不斷地在90℃的溫度進(jìn)行加熱石墨烯與水溶性高分子的漿料直至變?yōu)楦酄罟腆w(其粘度范圍為50-2000mpa·s)為止；

3、2)石墨烯高取向片層的制備：將膏狀的石墨烯/水溶性高分子復(fù)合材料裝入可加熱的螺桿擠出機(jī)中，以1-500mm/min的速度進(jìn)行擠出至速度為1-500mm/min牽伸板上，擠出口的高度(擠出口的高度為擠出模具到牽伸板的距離)為1-200μm，得到石墨烯/水溶性高分子高取向片層，再將得到的每一層石墨烯/水溶性高分子高取向片層放入可加熱的模具中；

4、3)高取向石墨烯骨架的制備：將放入可加熱的模具中的石墨烯/水溶性高分子高取向片層置于的壓機(jī)下，通過(guò)模壓的方法令每個(gè)片層之間的接觸更加緊密從而進(jìn)一步得到高取向的石墨烯片層，并且也可以通過(guò)模壓得到不同密度(通過(guò)模壓至不同的厚度，從而得到不同密度的復(fù)合材料)的高取向石墨烯/水溶性高分子復(fù)合材料；

5、4)高取向石墨烯骨架石墨化處理：將3)中獲得將高取向石墨烯骨架放入石墨化爐中，在惰性氣體氛圍下進(jìn)行3-35h的石墨化處理，去除內(nèi)部的水溶性高分子，從而構(gòu)建完美的石墨烯片層，得到不同密度的高取向石墨烯泡沫，石墨化處理的溫度為2300℃-3200℃；

6、5)在石墨烯骨架中灌注相變儲(chǔ)能材料：將高取向石墨烯骨架放入已經(jīng)熔化好了的相變材料中，并置于真空烘箱中，將真空烘箱抽至-0.1mpa并保持2-24h后，在毛細(xì)管以及真空負(fù)壓的作用下，得到高導(dǎo)熱石墨烯相變儲(chǔ)能材料；

7、優(yōu)選的，上述步驟1)中所述的石墨烯濃度為5wt％-15wt％為最優(yōu)，水溶性高分子可為淀粉、阿拉伯膠、藻蛋白酸鈉、骨粉、明膠、羧甲基纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚馬來(lái)酸酐、聚季胺鹽、聚乙二醇，它們可以使用一種或兩種以上；

8、優(yōu)選的，上述步驟2)中所述的擠出速度5-100mm/min為最優(yōu)；

9、優(yōu)選的，上述步驟4)中所述的石墨烯骨架石墨化處理溫度在2800-3000℃，15-30h為最優(yōu)；

10、優(yōu)選的，上述步驟5)中所述的相變材料包括但不局限于高精煉石蠟、正二十七烷、正十四烷、雙十八烷、月桂醇、金剛醇、赤蘚糖醇、氧化聚乙烯蠟等，它們可以使用一種或兩種以上。

11、本發(fā)明的有益效果是：一、本發(fā)明與傳統(tǒng)方法制備的石墨烯骨架更加簡(jiǎn)便高效、可大尺寸、批量化生產(chǎn)樣品：傳統(tǒng)的石墨烯骨架制備方法為冰模板法，首先，該方法需要進(jìn)行冷凍干燥，因此無(wú)法制備大尺寸的樣品，因?yàn)楫?dāng)樣品增大一倍時(shí)，其冷凍干燥時(shí)間將成指數(shù)倍增加，因此會(huì)增加成本；其次，當(dāng)使用冰模板法制備大尺寸樣品時(shí)，溫度梯度難以傳遞到大尺寸樣品的邊緣處，因此樣品邊緣處的取向度難以均勻且較低。而該方法可批量化的制備大尺寸、高取向的石墨烯泡沫，并且更加簡(jiǎn)單高效。二、本發(fā)明提升了石墨烯泡沫的取向度：通過(guò)石墨烯漿料與熱塑性高分子的粘性流動(dòng)，在擠出口處發(fā)生粘性液體的層流流動(dòng)，并且擠出口的各個(gè)部位的流動(dòng)速度不同，使得石墨烯片層產(chǎn)生強(qiáng)剪切力，從而得到高取向排布的石墨烯泡沫。三、本發(fā)明所用的材料更加簡(jiǎn)單且節(jié)?。罕景l(fā)明采用的水溶性的熱塑性高分子價(jià)格便宜，且用量也較少，相較與傳統(tǒng)方法長(zhǎng)時(shí)間使用冷凍干燥以及液氮的使用，該方法所需要的成本更低。

技術(shù)特征：

1.一種利用石墨烯漿液層流剪切構(gòu)筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構(gòu)筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：步驟1)中所述的石墨烯濃度在5wt％-15wt％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構(gòu)筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：步驟2)中所述擠出速度為5-300mm/min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構(gòu)筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：步驟4)中所述的石墨化溫度在2800-3200℃之間，時(shí)間在5-25h之間。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構(gòu)筑定向熱傳遞路徑的方法，其特征在于：步驟5)中所述的中所述的相變材料為高精煉石蠟、正二十七烷、正十四烷、雙十八烷、月桂醇、金剛醇、赤蘚糖醇、氧化聚乙烯蠟中的至少一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯漿液層流剪切構(gòu)筑定向熱傳遞路徑的方法，所述水溶性高分子為淀粉、阿拉伯膠、藻蛋白酸鈉、骨粉、明膠、羧甲基纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚馬來(lái)酸酐、聚季胺鹽、聚乙二醇中的至少一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一所述方法制備的取向石墨烯納米片層的高導(dǎo)熱相變儲(chǔ)能材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種利用石墨烯漿液層流剪切構(gòu)筑定向熱傳遞路徑的方法以及儲(chǔ)能應(yīng)用。通過(guò)利用液體在管道內(nèi)的層流原理，利用靠近管道內(nèi)壁和管道中部的液體流速差產(chǎn)生零石墨烯偏轉(zhuǎn)的剪切力，從而制備高取向的石墨烯骨架，再通過(guò)高溫石墨化處理得到高熱導(dǎo)率的石墨烯骨架，利用類RTM的真空負(fù)壓壓灌注方法灌注相變儲(chǔ)能材料，獲得高導(dǎo)熱的石墨烯相變儲(chǔ)能復(fù)合材料。該高取向，高導(dǎo)熱的石墨烯相變儲(chǔ)能材料具有熱導(dǎo)率最高可達(dá)158W/(m·K)，相變焓值高達(dá)320kJ/L，可根據(jù)不同需求調(diào)節(jié)熱導(dǎo)率和相變焓值。因此，該新型的石墨烯相變儲(chǔ)能材料有著重大的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：孫賢賢,張瑞,李宜彬,徐惠彬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19