基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料及其制备方法，制备方法：采用物理浸渍法将海绵状氧化石墨烯和相变物质结合制得基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，其中海绵状氧化石墨烯是通过冷冻干燥法制得的。制得的产品主要由海绵状氧化石墨烯以及固定在海绵状氧化石墨烯中的相变物质构成，其在250～320℃以内不发生泄露时海绵状氧化石墨烯的最低含量为8～10wt％。本发明专利技术的制备方法具有工艺简单、操作简便、成本低廉的优点，采用本发明专利技术的制备方法制得的复合相变材料具有载体材料添加量小、成本低廉、焓值高、尺寸小等优点，极具应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料及其制备方法
本专利技术属于相变纺丝基体制备领域，涉及一种基于氧化石墨烯的复合相变材料及其制备方法。
技术介绍
能源是人类生存与发展的基础，但如今，能源短缺已是制约社会发展的重大问题之一。由于相变材料(PhaseChangeMaterial,PCM)能够解决对能量储存以及释放在时间和空间上的矛盾，因此广泛运用在蓄热技术中，可很好的实现节能减排。目前，相变材料在工业废热回收、太阳能热利用、建筑隔热保温、纺织服装和农业等领域都有很好的应用。将相变材料与纤维纺织技术相结合可制成具有蓄热调温性能的纤维，称为相变纤维，该纤维可以维持人体微环境温度的稳定，也被形象的称为“空调纤维”，在冷库作业服、消防服、太空服和家居服等都有很好的应用。相变材料可以在熔融或固化时以潜热的形式储存或释放大量的热能，但是单一的相变材料由于存在固液相分离的缺陷，很难直接应用，因此我们必须利用载体材料对相变材料进行固定制备复合相变材料，使其在发生相变时不会泄漏，这种复合相变材料被称为定形相变材料。定形相变材料需具备以下特性才能适用于制备空调纤维：1定形效果良好，在发生相变时不会发生泄漏；2热导率较高、焓值较高(150J/g以上)；3相变温度适宜，一般在25～40℃之间；4热稳定性良好；5适宜封装于纤维中，粒径为1～5μm；6无毒，无腐蚀，原料易得，价廉，可循环使用。目前可对相变材料进行固定的载体材料有很多，如蒙脱土、泡沫金属、膨胀石墨和石墨片等，但这些材料中蒙脱土存在热导率低的缺点，泡沫金属、膨胀石墨和石墨片虽然热导率高，但由于吸附效果差，因此可固定的相变物质有限，导致材料焓值较低，此外，也有分子筛、气凝胶等三维结构作为载体材料的现有技术，但这些材料又因为尺寸较大，限制了它们的应用。因此，研究一种热导率高、材料焓值高且尺寸小的定形相变材料极具现实意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术中定形相变材料热导率低、焓值低且尺寸大的缺陷，提供一种热导率高、材料焓值高且尺寸小的定形相变材料。本专利技术从热导率较高的碳类材料中选取了具有众多含氧官能团(羧基、羟基等)的氧化石墨烯作为载体材料。氧化石墨烯具有尺寸小、热导率高和含氧官能团众多的特点，众多含氧官能团的存在可以使得其与相变物质发生物理结合，对相变物质达到很好的固定效果。为了使得载体材料有更好的吸附能力，本专利技术对氧化石墨烯进行了冷冻干燥处理制得了海绵状氧化石墨烯，使得制得的氧化石墨烯具有海绵状的多孔三维结构，增加氧化石墨烯层间距，降低晶粒尺寸，极大地提高了氧化石墨烯的定形与吸附性能。最终以海绵状氧化石墨烯为载体材料，选用相变温度、相变焓和热稳定性皆适宜的相变物质，通过物理浸渍法将两者复合，制得了载体材料添加量仅为8～10wt％即可保证在250～320℃以内不发生泄露的复合相变材料，同时该复合相变材料的热导率高、焓值高、尺寸小、应用前景好。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，主要由海绵状氧化石墨烯以及固定在海绵状氧化石墨烯中的相变物质构成，基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料在250～320℃以内不发生泄露时海绵状氧化石墨烯的最低含量为8～10wt％。本专利技术的海绵状氧化石墨烯的含量为8～10wt％的复合相变材料在250～320℃以内不发生泄露，无分解，工业生产中丙纶的热熔加工温度为240℃，在240℃下本专利技术的复合相变材料不会发生泄漏，满足生产需求。现有技术的复合相变材料中的载体材料添加量大于20wt％，才能保证其在250～320℃以内不发生泄露。本专利技术相比于现有技术，极大地降低了载体材料的添加量，降低了生产成本。本专利技术的复合相变材料中含量为8～10wt％的载体材料(海绵状氧化石墨烯)即可吸附90～92wt％的相变物质，相比于现有技术中采用的块状载体材料，吸附效果好。如上所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，所述海绵状氧化石墨烯的含量为8～10wt％时基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料的焓值保留率为98.6～101.2％。现有技术的载体材料添加量大于20wt％的复合相变材料的焓值保留率为70～80％。本专利技术与现有技术相比，在降低了载体材料添加量的同时，提高了复合材料的焓值保留率。本专利技术复合相变材料的焓值保留率相比与现有技术提升巨大，是因为海绵状氧化石墨烯均匀分散在相变物质中，海绵状氧化石墨烯在相变物质结晶时起到成核剂的作用，有助于相变物质结晶，因而极大地提高了焓值保留率。如上所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，所述固定是通过海绵状氧化石墨烯与相变物质发生物理结合实现的。如上所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，所述海绵状氧化石墨烯的层间距为0.800～1.000nm，晶粒尺寸为8.00～10.00nm。如上所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，所述海绵状氧化石墨烯是通过将氧化石墨烯水分散液超声分散后在液氮中冷冻成固体再置于冷冻干燥机中冷冻干燥制得的；冷冻干燥后的氧化石墨烯为疏松多孔的粉末，呈海绵状；所述氧化石墨烯的粒径为1～2μm，所述氧化石墨烯水分散液的浓度为0.3～0.6wt％，所述超声分散的功率为300W，时间为1.5～2h，所述冷冻干燥的温度为-50～-40℃，压力为30Pa以下，时间为2天。本专利技术选用氧化石墨烯的粒径仅为1～2μm，尺寸较小，应用前景好。如上所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，所述相变物质的相变温度为25～40℃，相变焓为150J/g以上。相变物质的相变焓与复合相变材料的焓值呈正比，相变焓越高，复合相变材料的焓值越高，也可选择相变焓低于150J/g的相变物质，但这会极大地影响复合相变材料的焓值。本专利技术制得的复合相变材料可用于人体，人体舒适的温度位于25～40℃之间，当外界温度低于此范围时，定形相变材料内部的相变物质可以发生结晶放热，当外界环境温度高于此范围时，相变物质可以发生熔融吸热，同时，由于热量是以潜热形式出现，复合相变材料本身并不会发生升温、降温，因此可以维持人体微环境温度保持恒定。相变温度在此范围内符合人体舒适性要求。如上所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，所述相变物质为聚乙二醇单甲醚、聚乙二醇、十八醇、固体正二十二烷、棕榈酸或硬脂酸。本专利技术的保护范围并不仅限于此，此处仅列举出部分符合“相变温度为25～40℃，相变焓为150J/g以上”的物质，其他常规的相变物质也可适用于本专利技术，选择“相变温度为25～40℃，相变焓为150J/g以上”的物质能够保证本专利技术的产品的焓值。本专利技术还提供一种制备如上所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料的方法，采用物理浸渍法将海绵状氧化石墨烯和相变物质结合制得基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料。如上所述的方法，具体操作为：将相变物质的溶液滴加到海绵状氧化石墨烯的分散液中后在温度为60～75℃、搅拌速率为600～800r/min的条件下反应6～8h后分离、干燥制得基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料；所述海绵状氧化石墨烯的分散液的浓度为0.3～0.6wt％。专利技术机理：本专利技术从热导率较高的碳类材料中选取了具有众多含氧官能团的氧化石墨烯作为载体材料。氧化石墨烯具有尺寸小、热导率高和含氧官能团众多的特点，众多含氧官能团的存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，其特征是：主要由海绵状氧化石墨烯以及固定在海绵状氧化石墨烯中的相变物质构成，基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料在250～320℃以内不发生泄露时海绵状氧化石墨烯的最低含量为8～10wt％。

【技术特征摘要】
1.基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，其特征是：主要由海绵状氧化石墨烯以及固定在海绵状氧化石墨烯中的相变物质构成，基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料在250～320℃以内不发生泄露时海绵状氧化石墨烯的最低含量为8～10wt％。2.根据权利要求1所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，其特征在于，所述海绵状氧化石墨烯的含量为8～10wt％时基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料的焓值保留率为98.6～101.2％。3.根据权利要求2所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，其特征在于，所述固定是通过海绵状氧化石墨烯与相变物质发生物理结合实现的。4.根据权利要求3所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，其特征在于，所述海绵状氧化石墨烯的层间距为0.800～1.000nm，晶粒尺寸为8.00～10.00nm。5.根据权利要求4所述的基于海绵状氧化石墨烯的复合相变材料，其特征在于，所述海绵状氧化石墨烯是通过将氧化石墨烯水分散液超声分散后在液氮中冷冻成固体再置于冷冻干燥机中冷冻干燥制得的；所述氧化石墨烯的粒径为1～2μm...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，孙俊芬，包建坤，潘丹，郑伟龙，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31