一种高导热定形相变复合材料及其制备方法技术

一种高导热定形相变复合材料组成为膨胀石墨：6.7‑54.0wt%，多孔炭材料：5.3‑38.6wt%，有机相变物质：28.4‑81.9wt%；本发明专利技术具有导热性能好，力学性能高及相变潜热高的优点。

High thermal conductivity shape change phase composite material and preparation method thereof

A high thermal phase change composite material consisting of expanded graphite for: 6.7 54.0wt%, 5.3 38.6wt%: porous carbon materials, organic phase change material: 28.4 81.9wt%; the invention has the advantages of good thermal conductivity, high mechanical properties and high latent heat.

【技术实现步骤摘要】
一种高导热定形相变复合材料及其制备方法
本专利技术属于相变材料
，具体涉及一种高导热定形相变复合材料及其制备方法。
技术介绍
以纯电动汽车为代表的新能源汽车逐渐摆脱对化石燃料的依赖，成为汽车发展的主流方向。电动汽车的动力主要源自动力电池，锂离子动力电池由于其在比能量、比功率、使用寿命及工作电压等方面的优势，已经占领动力电池的主要市场。锂离子电池只有在合适的温度下工作才能保证其良好的充放电效率、可靠性及寿命，需要合理有效的热管理系统来保证动力电池处于合适的温度范围。目前动力电池热管理系统主要有空气冷却技术、液体冷却技术和相变冷却技术。相变材料通过在物相转变(固-液)过程中释放或吸收热量来实现温控目的，与空气冷却、液相冷却等热控手段相比，相变技术无需额外能源且控温精度高，相变材料的相变潜热及导热能力是主要研究方向。以美国ALLcell公司为例，其将相变材料加工成紧密排列的蜂窝状，将圆柱形动力电池置于孔内，由定形相变材料在动力热管理过程中发挥吸热、散热的功能。相变材料本身导热能力较差，需要通过与导热填料的复合来提高其导热性能；另外相变材料本身定形能力及力学性能较差，需要一定的支撑材料来达到成型目的。中国专利CN1269932C将石蜡与交联高密度聚乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物在130-200℃下熔融共混后，加入模具成型，相变潜热可达189.5J/g。中国专利CN105778869A将相变物质高于其熔点40℃以上与交联EVA树脂进行熔融共混、挤出、造粒，相变潜热可达120-160J/g。中国专利CN101397489B将石蜡、金属粉、阻燃剂、HDPE熔融共混后挤出造粒得到阻燃定形相变复合材料。PatrikSobolciak等人(RenewableEnergy88(2016)372-382)将低密度聚乙烯、膨胀石墨、石蜡高温下于螺杆挤出机中共混得到相变复材，当石蜡含量为40％、膨胀石墨为15％时，复合材料导热系数为1.329W/m·K，相变潜热为41J/g。M.E.Sotomayor等人(RenewableEnergy68(2014)140-145)将高密度聚乙烯及石蜡共混，当HDPE含量为70％时，复合材料拉伸强度为15MPa。鉴于以往定形相变材料的应用领域，研究较多的为提高定形相变材料的潜热及导热性能。而定形相变材料作为动力电池等热管理领域最有潜力的材料，对其力学性能的研究往往集中于拉伸强度，而对实际应用过程中所需的抗压等力学性能的研究则少有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种导热性能好，力学性能高及相变潜热高的高导热定形相变复合材料及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：提高相变材料的结构特性有两种途径：相变材料中引入树脂及相变材料本体增强。需要开发一种能够在复合材料本体中进行本体增强的工艺，不牺牲导热性能、相变潜热的前提下提高力学性能。解决这个问题的方向是从结构-功能一体化设计角度出发，设计一种新型的定形相变复合材料，导热增强体、相变材料、力学增强体以互穿网络结构形式存在，各功能、结构体能够最大限度的发挥作用。具体设计思路为，将炭材料前驱体以浸渗的方式加入膨胀石墨预制体中，经过热处理之后形成力学性能良好的多孔炭材料/膨胀石墨复合体，处理温度较高的炭材料甚至可以作为导热增强体；最后通过液相浸渗的方式将相变材料吸附于多孔炭材料与膨胀石墨的孔隙中，得到高导热定形相变复合材料。由此得到的高导热定形相变复合材料，可以通过调节膨胀石墨预制体密度来调节基体导热性能，通过分别调节炭材料前驱体的浸渗次数及热处理温度来调节力学性能、导热增强性能。通过膨胀石墨、炭材料前驱体、相变材料三种材料的搭配，最大程度发挥各自的功能、结构性能。本专利技术的高导热定形相变复合材料，组成如下：膨胀石墨(吸附定形剂)：6.7-54.0wt.％多孔炭材料(力学增强体)：5.3-38.6wt.％有机相变物质(相变材料)：28.4-81.9wt.％所述的膨胀石墨的膨胀倍数为100-500ml/g。所述的多孔炭材料是由炭材料前驱体热处理得到；炭材料前驱体为煤沥青、石油沥青、合成沥青、中间相沥青、煤焦油、乙烯焦油、煤直接液化残渣、煤间接液化残渣等的一种或几种。所述的有机相变物质为石蜡、脂肪酸类、多元醇类、聚烯醇类等有机相变材料中的一种或者几种；本专利技术高导热定形相变复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将膨胀石墨模压成密度为0.08-0.80g/cm3的膨胀石墨预制体；(2)采用液相浸渗法将炭材料前驱体吸附于膨胀石墨预制体的孔隙中，得到膨胀石墨/炭材料前驱体复合材料；(3)将膨胀石墨/炭材料前驱体复合材料以3-10℃/min速率升温至700-3000℃，保温30-60min，得到膨胀石墨/多孔炭材料复合物；(4)采用真空浸渗法，将有机相变物质在-0.09MPa的真空条件下浸渗1.0-3.0h，浸入膨胀石墨/多孔炭材料复合物的孔隙中，冷却后得到高导热定形相变复合材料。如上所述步骤(2)液相浸渗法为先在-0.09MPa下真空浸渗40-100min，之后在0.5-1.5MPa加压浸渗45-90min。如上所述的步骤(4)浸渗时间最好为0.5-2.5小时。本专利技术还可以根据需要重复步骤(2)或/和(3)，达到对最终产品力学增强、导热增强的目的。本专利技术与现有技术相比有如下优点1.利用本体增强的方式在复合材料中引入力学增强体，将膨胀石墨与多孔炭材料结合起来，形成两相互穿网络结构，不破坏导热通道的同时，增强了力学性能，同时对导热性能也有一定的增强效果；2.常温下，定形相变材料的力学性能主要由炭材料及相变材料为主、吸附相变材料的膨胀石墨为辅；相变温度附近的力学性能则以炭材料提供为主、膨胀石墨为辅；3.高温热处理后的炭材料导热性能比较高，也可以通过把握炭材料前驱体热处理温度来调节定形相变材料力学性能和导热性能；4.由本技术得到的定形相变材料具有良好的抗压性能(7.31-10.05MPa)、导热性能(7.69-13.26W/m·K)、相变潜热(133.5-169.8J/g)。而一般的相变复合材料往往会顾此失彼，追求较高的相变潜热的同时牺牲了导热性能，提高导热性能的同时会牺牲了力学性能和相变潜热。具体实施方式下面具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，但不构成对本专利技术的任何限制实施例1选取密度为1.13g/cm3的煤焦油为炭材料前驱体：(1)将膨胀倍数为150ml/g的膨胀石墨模压成密度为0.10g/cm3的膨胀石墨预制体；(2)将膨胀石墨预制体浸入煤焦油中，-0.09MPa下真空浸渗60min、0.8MPa下加压浸渗60min后取出；(3)以3℃/min升温速率至1000℃，将吸附有煤焦油的膨胀石墨于此温度下炭化30min，得到膨胀石墨/多孔炭材料复合物；(4)采用真空浸渗法，将膨胀石墨/多孔炭材料复合物-0.09MPa下浸入熔点为51.4℃的石蜡中，真空浸渗1.5h得到高导热定形相变材料。膨胀石墨：多孔炭材料：相变材料为8.7％：22％：69.3％其性能列于表1中。实施例2选取密度为1.13g/cm3的煤焦油为炭材料前驱体：(1)将膨胀倍数为150ml/g的膨胀石墨模压成密度为0.15g/cm3的膨胀石墨预制体；(2)将膨胀石墨预制体浸入煤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导热定形相变复合材料，其特征在于组成如下：膨胀石墨：6.7‑54.0wt.%多孔炭材料：5.3‑38.6wt.%有机相变物质：28.4‑81.9wt.%。

【技术特征摘要】
1.一种高导热定形相变复合材料，其特征在于组成如下：膨胀石墨：6.7-54.0wt.%多孔炭材料：5.3-38.6wt.%有机相变物质：28.4-81.9wt.%。2.如权利要求1所述的一种高导热定形相变复合材料，其特征在于所述的膨胀石墨的膨胀倍数为100-500ml/g。3.如权利要求1所述的一种高导热定形相变复合材料，其特征在于所述的多孔炭材料是由炭材料前驱体热处理得到，炭材料前驱体为煤沥青、石油沥青、合成沥青、中间相沥青、煤焦油、乙烯焦油、煤直接液化残渣、煤间接液化残渣中的一种或几种。4.如权利要求1所述的一种高导热定形相变复合材料，其特征在于所述的有机相变物质为石蜡、脂肪酸类、多元醇类、聚烯醇类等有机相变材料中的一种或者几种。5.如权利要求1－4任一项所述的一种高导热定形相变复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将膨胀石墨模压成密度为0.08-0.80g/cm3的膨胀石墨预制体；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏宝，陶则超，赵文光，刘占军，郭全贵，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：山西,14