一种基于石墨烯的三维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石墨烯的三维相变材料及其制备方法。将一定浓度的氧化石墨烯水溶液放入液氮中快速冷冻，然后通过冷冻干燥获得氧化石墨烯气凝胶，送入高温炉中在惰性气氛下进行高温500℃‐3000℃热处理，然后浸泡在不同浓度的石蜡的二氯甲烷溶液中，充分吸收后，再放于30℃真空烘箱中干燥，得到基于石墨烯的三维相变材料。该石墨烯的三维相变材料对石蜡封装效果优异，石蜡填充量为0.1‐99.9％，膜‐石蜡复合均匀，多次加热冷却循环后，材料的熔融相变焓和凝固相变焓基本保持不变，从而实现高效热能储存。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳复合相变材料领域，尤其涉及一种基于石墨烯的三维相变材料及其制备方法。
技术介绍
相变材料是通过温度变化而发生的物理变化来进行吸收或者释放热能。常用的有机相变材料由于性能稳定，相变温度宽，以及温度可调节等优点得到广泛的应用，然而有机相变材料同时存在导热性能差，体积膨胀系数大，容易泄露等缺点。石墨烯(Graphene)是一种单分子层二维晶体，具有已知材料最高的强度，超常的比表面积以及优异的导电性和导热性，是目前最理想的二维纳米材料。宏观组装的石墨烯膜充分发挥了石墨烯表面积大，强度高，导热性优异的特性。如果将石墨烯膜与石蜡完美结合制备优良的复合相变材料成为一个挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于石墨烯的三维相变材料及其制备方法。本专利技术所获得的石墨烯气凝胶孔洞尺寸可以调节，从而有效调节基于石墨烯三维相变材料的结构。该法制备的基于石墨烯气凝胶的复合相变材料储热性能优异、适合大规模生产应用。本专利技术的目的上通过以下技术方案实现的：一种基于石墨烯的三维相变材料，由石墨烯气凝胶和填充于石墨烯气凝胶膜孔洞内的石蜡组成，所述石蜡的填充量为0.1‐99.9vol％。一种基于石墨烯的三维相变材料的制备方法，其步骤如下：(1)将浓度为1‐100mg/mL的氧化石墨烯水溶液从具有一字形模口的制备装置中连续匀速挤出后进入凝固液，凝固成氧化石墨烯凝胶膜，将氧化石墨烯凝胶膜放入液氮中快速冷冻。(2)将冷冻处理后的氧化石墨烯凝胶膜在惰性气体氛围下先以0.1‐1℃/min的速率升温到500‐800℃，保温0.5‐2h；(3)在惰性气体氛围下以1‐3℃/min的速率升温到1000‐1300℃，保温0.5‐3h；(4)在惰性气体氛围下以5‐8℃/min的速率升温到2000‐3000℃，保温0.5‐4h，得到石墨烯气凝胶膜(5)将步骤4获得的石墨烯气凝胶膜在浓度为0.1‐100g/ml的石蜡的二氯甲烷溶液中浸泡0.5‐10h，再放于30℃真空烘箱中干燥，得到基于石墨烯的复合相变膜。进一步地，所述步骤1中的氧化石墨烯的平均尺寸大于50um，分布系数为0.2～0.5。进一步地，所述的氧化石墨烯凝胶膜在液氮中快速冷冻的时间设定为5‐30min。本专利技术的有益效果在于：(1)通过三步独立的升温过程，使得石墨烯表面的官能团逐步脱离，并以气体形式逐级释放，同时，石墨化过程逐次展开，形成石墨烯微气囊；而微气囊的形成过程中，石墨烯表面最为稳定的官能团也随之脱落，加上高温下气体膨胀，由此产生了气凝胶结构，有利于石蜡的填充。(2)通过本专利技术得到的基于石墨烯的复合相变膜的熔融相变焓为175.3J/g，凝固相变焓为186.2J/g.具体实施方式以下结合实例进一步说明本
技术实现思路
：实施例1(1)将浓度为60mg/mL的氧化石墨烯水溶液分别置于液氮中冷冻3min、5min、15min、30min、35min。将冷冻处理后的氧化石墨烯凝胶(a,b,c,d,e)置于扫描电镜下观察，氧化石墨烯凝胶a片层堆叠较多，孔洞少；氧化石墨烯凝胶b，c，d孔洞均匀，致密程度依次增加，氧化石墨烯凝胶e结构出现破坏。(2)将冷冻处理后的氧化石墨烯凝胶在惰性气体氛围下先以1℃/min的速率升温到800℃，保温0.5h；(3)在惰性气体氛围下以3℃/min的速率升温到1300℃，保温0.5h；(4)在惰性气体氛围下以8℃/min的速率升温到3000℃，保温0.5h，得到石墨烯气凝胶；(5)将该石墨烯气凝胶在浓度为80g/ml的石蜡的二氯甲烷溶液中浸泡3h，再放于30℃真空烘箱中干燥，得到基于石墨烯的复合相变材料，石蜡填充量为99.9％。通过示差扫描量热法(DSC)测试，得到基于石墨烯的三维相变材料的熔融相变焓为156.3J/g，凝固相变焓为168.2J/g.实施例2(1)将浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液置于液氮中进行25min。(2)将冷冻处理后的氧化石墨烯凝胶在惰性气体氛围下先以1℃/min的速率升温到800℃，保温0.5h；(3)在惰性气体氛围下以3℃/min的速率升温到1300℃，保温0.5h；(4)在惰性气体氛围下以8℃/min的速率升温到3000℃，保温0.5h，得到石墨烯气凝胶；(5)将步骤4获得的气凝胶在浓度为10g/ml的石蜡的二氯甲烷溶液中浸泡5h，再放于30℃真空烘箱中干燥，得到基于石墨烯的三维相变材料，石蜡填充量为70％。通过示差扫描量热法(DSC)测试，得到基于石墨烯的三维相变材料的熔融相变焓为126.3J/g，凝固相变焓为164.2J/g.实施例4(1)将浓度为100mg/mL的氧化石墨烯水溶液置于液氮中进行25min。(2)将冷冻处理后的氧化石墨烯凝胶在惰性气体氛围下以表1～表3所示的热处理方式进行热处理，(3)将步骤3热处理后的气凝胶在浓度为10g/ml的石蜡的二氯甲烷溶液中浸泡3h，再放于30℃真空烘箱中干燥，得到基于石墨烯的三维相变材料。表1表2表3从表1～表3可以看出，本材料的性能主要有两方面决定，其一材料内部氧化石墨烯片结构修复情况，即官能团的脱落以及高温下碳共轭结构的修复。其二，材料内部三维取向结构的连续性，即内部片层结构的连接性。二者共同作用石墨烯三维相变材料的性能。表1中，通过比较A1\\B1\\C1\\D1\\E1，A1的温度过低，不足以除去大部分易降解的官能团，导致第二步高温过程中气体大量快速产生，在高温下撕裂片层结构；E1温度过高，产生气体过快，会大量撕裂材料内部结构，两者都会使得材料性能变差。唯有在B1、C1、D1温度下，官能团会缓慢并彻底清除，以保障材料性能。通过比较C1\\F1\\G1\\H1，F1升温速率过低，气体释放过于缓慢，不能使得材料内部形成通孔；H1升温过程过快，气体释放过快，撕裂材料内部结构，不利于形成传输通道。C1\\I1\\J1\\K1\\L1\\M1，I1保温时间过短，不能保证大部分官能团的降解；M1保温过程过长，会吸收炉子里面的焦油，不利于性能的提升。J1、K1、L1正好避免了以上两者。表2中，通过比较A2\\B2\\C2\\D2\\E2，A2升温速率过低，严重影响导热性能。E升温速度过高，会撕裂石墨烯层间结构，使得石墨烯气凝胶的性能变差。唯有B2、C2、D2的升温速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯的三维相变材料，其特征在于，由三维石墨烯气凝胶和填充于石墨烯气凝胶孔洞内的石蜡组成，所述石蜡的填充量为0.1‐99.9vol％。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的三维相变材料，其特征在于，由三维石墨烯气凝胶和填
充于石墨烯气凝胶孔洞内的石蜡组成，所述石蜡的填充量为0.1‐99.9vol％。
2.一种基于石墨烯的三维相变的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
(1)将浓度为1‐100mg/mL的氧化石墨烯水溶液放入液氮中快速冷冻。
(2)将冷冻处理后的氧化石墨烯凝胶膜在惰性气体氛围下先以0.1‐1℃/min
的速率升温到500‐800℃，保温0.5‐2h；
(3)在惰性气体氛围下以1‐3℃/min的速率升温到1000‐1300℃，保温0.5‐3h；
(4)在惰性气体氛围下以5‐8℃/...

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，王冉，彭蠡，孙海燕，杨清，
申请(专利权)人：浙江碳谷上希材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33