專利名稱：一種具有相變儲能功能的相變石墨粉及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于熱功能復合材料技術領域，具體涉及一種具有相變儲能功能的相變石 墨粉及其制備方法。
背景技術：
隨著世界人口的不斷增加，能源緊缺已提前到來。能源的可持續(xù)發(fā)展是當今世界 的一大難題。相變儲能就是一項非常重要的節(jié)能技術，它是利用相變材料的相變潛熱來實 現(xiàn)能量的儲存和利用，這有助于提高能效和開發(fā)可再生能源，是近年來能源科學和材料科 學領域中一個十分活躍的前沿研究方向。相變儲能控溫常用于緩解能量供求雙方在時間、 強度及地點上不匹配的有效方式，在太陽能的利用、電力的“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收 利用，以及工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領域具有廣泛的應用前景。雖然相變儲能技術是提高能源利用效率和保護環(huán)境的重要技術，但是由于相變材 料在使用中存在著一些致命缺陷(如腐蝕性、不穩(wěn)定性、過冷、傳熱性能差等)，特別是傳 熱性能差，導致使用效果大打折扣。例如，有機相變材料導熱系數(shù)一般在0. lW/mK左右，而 無機相變材料在0. 5W/mK左右。導熱系數(shù)低導致了相變材料儲能、放熱功率不高，無法充分 利用相變材料儲能容量，因而限制了其在工業(yè)上的大規(guī)模應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有相變儲能功能的相變石墨粉及其制備方法。本發(fā)明提供的具有相變儲能功能的相變石墨粉，采用石墨和無機鹽相變材料，通 過石墨插層、膨化、浸漬、蒸發(fā)、粉碎、包覆等過程制備獲得。相變石墨粉為一種粉狀復合材 料，其中無機鹽相變材料分布于多孔石墨孔隙中(如圖1所示)，既可克服相變材料導熱性能 差問題，又有助于解決滲漏和相容性等問題。無機鹽相變材料包括各種無機鹽水合物或高 溫(指相變溫度高于100攝氏度)無機鹽相變材料，如硝酸鹽、氯化物、氟化物和碳酸鹽及其 混合鹽等O本發(fā)明提供的具有相變儲能功能的相變石墨粉的制備方法，具體步驟如下 (1)石墨插層
采用熱化學方法對天然鱗片石墨進行插層處理。插層劑選擇濃硫酸，氧化劑選擇高錳 酸鉀。具體步驟為將鱗片石墨、插層劑和氧化劑的混合物置于在恒溫水浴中攪拌加熱。然 后過濾、水洗和烘干插層混合物，制得可膨脹石墨。其中，水浴溫度為20 80° C?；旌衔?重量比例為石墨插層劑氧化劑=1:1 20 :0. 01 5。插層時間為5 200分鐘。水洗 PH值取0 7。烘干溫度取100 120° C (如為110° C)，烘干時間2 24小時。(2)膨化
利用高功率微波爐對經(jīng)插層的可膨脹石墨進行超短時間膨化，制備膨脹石墨，可減少 對膨脹石墨微觀結構的破壞，提高膨脹石墨對相變材料的吸納能力。其具體步驟為將可膨 脹石墨置入透微波容器，然后放入高功率微波爐中膨化。微波爐功率在1000 8000W范圍內(nèi)，膨化時間范圍為1 5秒。圖2和圖3分別為高功率超短時間微波膨化的膨脹石墨宏 觀和微觀圖像。(3)浸漬
浸漬過程根據(jù)膨脹石墨和相變材料溶液之間的浸潤特性，選擇常壓浸漬和真空負壓浸 漬兩種方法。當膨脹石墨和相變材料溶液之間具有自動浸潤特性時選擇常壓浸漬方法；當 膨脹石墨和相變材料溶液之間不具有自動浸潤特性時選擇真空負壓浸漬方法。所述常壓浸漬方法，是將膨脹石墨浸入在無機鹽相變材料的水溶液中24 48小 時。然后取出浸泡飽和膨脹石墨，放在多孔容器中，浙去多余的液體。所述真空負壓浸漬方法，首先將膨脹石墨放入真空容器中，然后利用真空泵抽除 真空容器和膨脹石墨孔隙內(nèi)的空氣，真空負壓高于80kPa，抽真空時間至少60分鐘(例如 60 80分鐘)。之后在真空負壓條件下將無機鹽相變材料的水溶液導入真空容器并浸漬入 膨脹石墨中。然后打開真空容器，將大氣通入，在大氣壓作用下繼續(xù)浸泡至少1小時(例如 1 1. 5小時)，將無機鹽相變材料水溶液壓入膨脹石墨孔隙內(nèi)。然后取出浸泡飽和膨脹石 墨，放在多孔容器中，浙去多余的液體。(4)蒸發(fā)
將浙干的膨脹石墨浸漬物放入烘箱中，烘箱溫度設置在相變溫度以上10 20° C (針 對無機鹽水合物相變材料)或100 120° C (如110° C)(針對高溫無機鹽相變材料)，以 蒸發(fā)多余水分。蒸發(fā)時間控制在12 48小時之間。(5)粉碎
采用高速流體的沖擊作用對其進行粉碎。具體步驟為先將液體和膨脹石墨浸漬物 的混合物放入容器中，液體要求與無機鹽相變材料不相溶，如乙醇、脂肪醇或丙酮等有機液 體。混合物中液體和膨脹石墨浸漬物重量比例控制在2:1 4:1。然后用高速攪拌機攪拌 0. 5 2分鐘，攪拌機轉(zhuǎn)速為550 700RPM(例如為600RPM)。然后將混合物用200目以上 的篩子過濾。過濾物放入110 130° C (例如120° C)烘箱，烘至恒重，即可得到含有無 機鹽相變材料的多孔石墨粉。在操作過程中，可先在不銹鋼容器加入約1/2 2/3容積的液體和膨脹石墨浸漬 物，不銹鋼容器可為圓柱形，高度控制在0. 1 0. 5m，直徑控制在0. 1 0. 3m。然后在不銹 鋼容器上蓋上透明有機玻璃保護罩。將高速攪拌機的攪拌葉片伸入混合物中，啟動攪拌機， 并逐漸勻速升高電機轉(zhuǎn)速，一般情況下，在10 30秒內(nèi)將轉(zhuǎn)速提高到所需轉(zhuǎn)速即可。并保 持在最高轉(zhuǎn)速0.5 2分鐘。然后關閉電機，切斷電源，取下透明有機玻璃保護罩。將不銹 鋼容器中的混合物用200目以上的篩子過濾。過濾物用玻璃或不銹鋼托盤盛裝，放入烘箱， 烘至恒重。(6)包覆
采用聚合物基復合材料作為密封膜層包覆多孔石墨粉?？蛇x用樹脂、乳液等作為密封 膜層的基體材料，如環(huán)氧樹脂、丁苯乳液等，采用導熱系數(shù)高的金屬或非金屬粉末作為密封 膜層的填料，如鋁粉、銅粉等。采用上述過程制備的相變石墨粉具有導熱性能高、密封性能強、不易滲漏等優(yōu)點， 并能很方便應用于多種場合，如用于生產(chǎn)建筑材料、制作高溫蓄熱裝置和電子散熱等，具有 廣泛的用途。


圖1本發(fā)明相變石墨粉內(nèi)部結構示意圖。圖2膨脹石墨的宏觀圖像。圖3膨脹石墨的微觀圖像。圖4相變石墨粉圖像。
具體實施例方式實施例1
分別取100克鱗片石墨(100目、95%含碳量)、500毫升濃硫酸(98%的)和50克高錳酸 鉀混合，并置于恒溫水浴中，水浴溫度60° C，插層時間為60分鐘。插層后混合物用300目 不銹鋼濾網(wǎng)過濾，并用清水洗滌，重復過濾和清洗過程兩次，水洗PH值為6。最后將過濾物 放入烘箱烘干。烘干溫度為110° C，烘干時間為12小時。取烘好石墨插層物100克放入高 功率微波爐中膨化。微波爐功率設為3000W上。微波作用時間3秒。采用常壓浸漬方法， 將膨脹石墨浸泡在氯化鈣飽和水溶液中30小時。取出浙干。將浙干的膨脹石墨浸漬物放 入烘箱烘干，烘干溫度設置為40度，蒸發(fā)其中多余的水分，蒸發(fā)時間為30小時。然后用高 速流體方法粉碎蒸干的膨脹石墨浸漬物，粉碎時間1分鐘。最后采用環(huán)氧樹脂包覆密封相 變石墨粉。采用差示掃描量熱法測試相變石墨粉的相變溫度為27攝氏度，相變熱為165J/ go該相變石墨粉為常溫相變材料，可用來制備相變儲能建筑材料，應用于節(jié)能建筑。實施例2
分別取100克鱗片石墨(100目、95%含碳量)、600毫升濃硫酸(98%的)和60克高錳酸 鉀混合，并置于恒溫水浴中，水浴溫度70° C，插層時間為60分鐘。插層后混合物用300目 不銹鋼濾網(wǎng)過濾，并用清水洗滌，重復過濾和清洗過程兩次，水洗PH值為7。最后將過濾物 放入烘箱烘干。烘干溫度為110° C，烘干時間為12小時。取烘好石墨插層物100克放入 高功率微波爐中膨化。微波爐功率設為4000W上。微波作用時間2秒。采用真空負壓浸漬 方法，在膨脹石墨浸滲硝酸鈉和硝酸鈣飽和水溶液，真空維持時間120分鐘，在大氣壓作用 下繼續(xù)浸泡2小時。取出浙干。將浙干的膨脹石墨浸漬物放入烘箱烘干，烘干溫度設置為 110度，蒸發(fā)其中所有水分，蒸發(fā)時間為30小時。然后用高速流體方法粉碎蒸干的膨脹石墨 浸漬物，粉碎時間1分鐘。最后采用環(huán)氧樹脂包覆密封相變石墨粉。采用差示掃描量熱法 測試相變石墨粉的相變溫度為225攝氏度，相變熱為115J/g。該相變石墨粉為高溫相變材 料，可以用于太陽能高溫儲存利用和工業(yè)余熱利用。實施例3
分別取100克鱗片石墨(100目、95%含碳量)、1000毫升濃硫酸(98%的)和100克高錳 酸鉀混合，并置于恒溫水浴中，水浴溫度75° C，插層時間為60分鐘。插層后混合物用300 目不銹鋼濾網(wǎng)過濾，并用清水洗滌，重復過濾和清洗過程兩次，水洗PH值為7。最后將過濾 物放入烘箱烘干。烘干溫度為110° C，烘干時間為12小時。取烘好石墨插層物100克放入 高功率微波爐中膨化。微波爐功率設為5000W上。微波作用時間2秒。采用真空負壓浸漬 方法，在膨脹石墨浸滲醋酸鈉飽和水溶液，真空維持時間120分鐘，在大氣壓作用下繼續(xù)浸 泡2小時。取出浙干。將浙干的膨脹石墨浸漬物放入烘箱烘干，烘干溫度設置為70度，蒸 發(fā)其中多余水分，蒸發(fā)時間為30小時。然后用高速流體方法粉碎蒸干的膨脹石墨浸漬物，
5粉碎時間1分鐘。最后采用環(huán)氧樹脂包覆密封相變石墨粉。采用差示掃描量熱法測試相變 石墨粉的相變溫度為58攝氏度，相變熱為195J/g。該相變石墨粉為中溫相變材料，可以用 于太陽能建筑儲熱和應用。
權利要求
1.一種具有相變儲能功能的相變石墨粉，其特征在于采用石墨和無機鹽相變材料，通 過石墨插層、膨化、浸漬、蒸發(fā)、粉碎、包覆過程制備獲得，其中無機鹽相變材料分布于石墨 孔隙中；所述無機鹽相變材料為無機鹽水合物或高溫無機鹽相變材料。
2.如權利要求1所述的具有相變儲能功能的相變石墨粉制備方法，其特征在于具體步 驟如下(1)石墨插層將鱗片石墨、插層劑硫酸和氧化劑高錳酸鉀的混合物置于在恒溫水浴中攪拌加熱；然 后過濾、水洗和烘干插層混合物，制得可膨脹石墨；其中，水浴溫度為20 80° C ；所述混 合物重量比例為石墨插層劑氧化劑=1:1 20 :0. 01 5，插層時間為5 200分鐘；水 洗PH值取0 7 ；烘干溫度為100 120° C，烘干時間2 M小時；(2)膨化將可膨脹石墨置入透微波容器，然后放入微波爐中膨化；微波爐功率為1000 8000W， 膨化時間為1 5秒；(3)浸漬浸漬方法分為兩種當膨脹石墨和相變材料溶液之間具有自動浸潤特性時選擇常壓浸 漬方法；當膨脹石墨和相變材料溶液之間不具有自動浸潤特性時選擇真空負壓浸漬方法；所述常壓浸漬方法，是將膨脹石墨浸入在無機鹽相變材料的水溶液中M 48小時； 然后取出浸泡飽和膨脹石墨，浙去多余的液體；所述真空負壓浸漬方法，首先將膨脹石墨放入真空容器中，利用真空泵抽除真空容器 和膨脹石墨孔隙內(nèi)的空氣，使真空負壓高于SOkPa ；在真空負壓條件下將無機鹽相變材料 的水溶液導入真空容器并浸漬入膨脹石墨中；然后將大氣通入，在大氣壓作用下繼續(xù)浸泡 至少1小時，將無機鹽相變材料水溶液壓入膨脹石墨孔隙內(nèi)；最后取出浸泡飽和膨脹石墨， 浙去多余的液體；(4)蒸發(fā)將浙干的膨脹石墨浸漬物放入烘箱中，以蒸發(fā)多余水分，蒸發(fā)時間為12 48小時；對 于無機鹽水合物相變材料，烘箱溫度設置在相變溫度以上10 20° C，對于高溫無機鹽相 變材料，烘箱溫度設置在100 120° C；(5)粉碎先將液體和膨脹石墨浸漬物的混合物放入容器中，該液體與無機鹽相變材料不相溶， 混合物中液體和膨脹石墨浸漬物重量比例為2:1 4:1 ；用攪拌機攪拌0. 5 2分鐘，攪 拌機轉(zhuǎn)速為550 700RPM ；然后將混合物用200目以上的篩子過濾，將過濾物放入110 130° C烘箱，烘至恒重，即得到含有無機鹽相變材料的多孔石墨粉；(6)包覆采用聚合物基復合材料作為密封膜層包覆多孔石墨粉。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱功能復合材料技術領域，具體為一種具有相變儲能功能的相變石墨粉及其制備方法。該相變石墨粉采用石墨和無機鹽相變材料，通過石墨插層、膨化、浸漬、蒸發(fā)、粉碎、包覆過程制備獲得，其中無機鹽相變材料分布于石墨孔隙中；所述無機鹽相變材料為無機鹽水合物或高溫無機鹽相變材料。由本發(fā)明制備的相變石墨粉具有導熱性能高、密封性能強、不易滲漏等優(yōu)點，并能方便地應用于多種場合，如用于生產(chǎn)建筑材料、制作高溫蓄熱裝置和電子散熱等，具有廣泛的用途。
文檔編號C09K5/06GK102031090SQ201010541388
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權日2010年11月12日
發(fā)明者張東 申請人:張東