一种有机-微胶囊相变材料及其制备方法和在电池热管理系统中的应用技术方案

本发明专利技术属于微胶囊复合材料设计合成技术在电池热安全科学与工程中的应用领域，具体涉及一种微胶囊复合相变材料的制备，在新能源汽车动力电池热管理系统中的实际应用。该制备方法是将相变材料石蜡作为核材料，甲醇改性的三聚氰胺甲醛预聚体MMF作为壳材料，在分散剂苯乙烯

【技术实现步骤摘要】
一种有机
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微胶囊相变材料及其制备方法和在电池热管理系统中的应用


[0001]本专利技术属于复合相变材料设计合成和电池安全科学与工程
，具体涉及一种有机
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微胶囊相变材料及其制备方法和在电池热管理系统中的应用。

技术介绍

[0002]在电子设备的使用过程中，由于环境温度的变化和电池内部反应的放热等因素影响，常导致大量热量在电池内部积累。电子设备的过热问题不仅影响其功能性，而且对其安全性产生挑战。因此，开发针对电子设备的有效热管理技术是非常必要的。
[0003]目前普遍采用相变材料来吸收电子器件产生的热量，使其长时间维持在几乎恒定的最佳工作温度，降低热安全隐患，延长工作寿命。相变材料分为无机、有机和混合相变材料三大类，其中有机相变材料具有化学稳定性好、热可靠性高、过冷度小、成本合理等优点。然而，有机相变材料在直接使用时存在易泄漏、腐蚀器件、易产生相分离等缺点，且当前单一的相变材料化合物并不具备全面优异的物理、化学、动力学、热力学和经济性能，结构改性、加入添加剂、优化存储系统等方式可以有效解决上述问题，从而制备综合性能较高的复合相变材料。
[0004]纳米微胶囊化作为一种有效的技术，可以提高复合材料的热导率，改善相变材料在熔化过程中的泄漏问题，减缓活性物质与周围基质间可能的相互作用。因此，纳米微胶囊复合相变材料可应用于电子产品尤其是电池热管理系统中，维持能量存储和释放化学反应稳定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决目前微胶囊复合相变材料设计合成中存在的问题，提供了一种有机
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微胶囊相变材料及其制备方法和在电池热管理系统中的应用。
[0006]本专利技术由如下技术方案实现的：一种有机
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微胶囊相变材料，以相变材料为核材料，甲醇改性的三聚氰胺甲醛预聚体MMF为壳材料，加入导热填料添加剂，在分散剂的作用下，乳液聚合反应，即为目标产物有机
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微胶囊相变材料；其中：所述相变材料为石蜡、十二醇、十四醇或十八烷中的任意一种；所述导热填料为碳纳米管CNT、纳米氧化铝Al2O3、纳米氧化锌ZnO中的任意一种；所述分散剂为苯乙烯
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马来酸酐共聚物SMA。
[0007]进一步地，所述核材料为石蜡Paraffin，壳材料为甲醇改性的三聚氰胺甲醛预聚体MMF，分散剂为苯乙烯
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马来酸酐共聚物SMA，核材料、壳材料和分散剂三者的质量比是：1:0.7~1:1。
[0008]进一步地，所述有机
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微胶囊相变材料为粉末状，粒径为1
‑
10
ꢀµ
m，相变焓为100
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200 kJ/kg，相变温度为30
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60℃。
[0009]本专利技术还提供了一种有机
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微胶囊相变材料的制备方法，具体步骤如下：（1）制备MMF壳材料：在乌洛托品和甲醛溶液中加入三聚氰胺，高速搅拌使物质充
分溶解，水浴加热至80℃后持续搅拌反应1小时，待溶液澄清后，加入三乙醇胺调节pH值为9，搅拌均匀后得到产物三聚氰胺
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甲醛预聚体MF；在MF溶液中加入甲醇，对其进行改性得到MMF；（2）制备SMA溶液：在装有高速搅拌器的250 mL三颈烧瓶中加入去离子水，在搅拌状态下缓慢添加SMA粉末，持续搅拌直至形成无可见颗粒的悬浮液后，然后快速加入10wt% NaOH溶液，调整pH值为8后持续搅拌1小时，该过程始终在50℃的水浴锅中进行；（3）制备微胶囊乳液：在上述SMA溶液中加入115 g相变材料，在高速分散机中机械搅拌10分钟，此时液体呈乳白色的乳液状；加入步骤（1）所制备的MMF壳材料20 g，导热填料5 g，加速搅拌，设置仪器升温速率为2 ℃/min，加热温度升高至80℃后，保持该温度下持续搅拌1.5小时，得到乳状液体产物，即为微胶囊乳液；（4）制备终产物有机
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微胶囊相变材料：用去离子水洗涤步骤（3）所得乳状液体产物并过滤，将所得物质置于40℃烘箱内烘干12小时，研磨成粉，得到最终产物有机
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微胶囊相变材料。
[0010]步骤（1）中加入三聚氰胺反应后，溶液澄清，检测是否出现浊点，取一滴反应物滴入去离子水中，出现白色沉淀即为浊点，无浊点后加入三乙醇胺调节pH值。
[0011]所述的有机
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微胶囊相变材料在电池热管理系统中的应用，具体应用方法为：研磨制备的有机
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微胶囊相变材料，得到直径在100
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200
ꢀµ
m的细小粉末；粉末填入电池热管理模具中，完全包裹电池；利用热电偶测温装置监测电池充放电过程中的温度变化，获取不同工作环境下电池的实时温度、平均温度、温度差。电池热管理系统中包装材料为铝合金、铜或铁中的任意一种，散热片为泡沫镍或泡沫铜。
[0012]通过用扫描电子显微镜观察了微胶囊的形貌，结果表明其结构呈均匀的微胶囊状球体，且导热填料均匀地分散在四周，并不会影响其整体结构。利用傅里叶变换红外光谱对石蜡芯复合相变材料进行了表征，结果表明：上述物质间只是单纯的物理交联，并没有产生新的化学物质，不会影响相变材料性质。差示扫描量热法（DSC）结果表明，在加热/冷却过程中复合相变材料的熔融焓测量值明显高于理论值，熔融焓增量百分比分别提高了48.7%、59.4%和84.9%。此外，通过电池充放电测试和泄露试验结果，较于氧化铝和氧化锌，CNT的加入明显提高材料的储热散热性能。此外，经过热稳定性实验表明其热力学性能优异，其在电池热管理系统和储能方面具有广阔的应用前景。
[0013]本专利技术中，该相变材料使电池工作时的最高温度下降了2℃以上，具有明显的散热效果，拥有良好的导热、调温及储能等功能，可应用于储热、电子设备散热等领域。
附图说明
[0014]图1为MF的合成反应原理图；图2为MMF的合成反应原理图；图3为电池热管理系统示意图，图中：左图为电池排列示意图；左图中编号1、2、3、4为电池的四种不同摆放位置分布；(a)、(b)、(c)分别为不同的电池排列方式；图4为实施例1
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实施例3所得有机
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微胶囊相变材料的扫描电子显微镜（SEM）照片；图中：(a)和(b)为对比例1所得的Paraffin
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MMF；(c)和(d) 为实施例2所得的Paraffin
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MMF
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Al2O3；(e)和(f)为实施例3所得的Paraffin
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MMF
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ZnO；(g)和(h)为实施例1所得的
Paraffin
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MMF
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CNT；图5为实施例1
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实施例3所得有机
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微胶囊相变材料的X射线衍射（XRD）图谱；图6为实施例1
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实施例3所得有机
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机
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微胶囊相变材料，其特征在于：以相变材料为核材料，甲醇改性的三聚氰胺甲醛预聚体MMF为壳材料，加入导热填料添加剂，在分散剂的作用下，乳液聚合反应，即为目标产物有机
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微胶囊相变材料；其中：所述相变材料为石蜡、十二醇、十四醇或十八烷中的任意一种；所述导热填料为碳纳米管CNT、纳米氧化铝Al2O3、纳米氧化锌ZnO中的任意一种；所述分散剂为苯乙烯
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马来酸酐共聚物SMA；以质量分数计各原料配比为：70
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85wt%相变材料；5
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10wt%导热填料；5
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15wt%壳材料；5wt%分散剂。2.根据权利要求1所述的一种有机
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微胶囊相变材料，其特征在于：所述核材料为石蜡，壳材料为甲醇改性的三聚氰胺甲醛预聚体，分散剂为苯乙烯
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马来酸酐共聚物SMA，核材料、壳材料和分散剂三者的质量比是：1:0.7~1:1。3.根据权利要求1所述的一种有机
‑
微胶囊相变材料，其特征在于：所述有机
‑
微胶囊相变材料为粉末状，粒径为1
‑
10
ꢀµ
m，相变焓为100
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200 kJ/kg，相变温度为30
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60℃。4.制备权利要求1
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3任一所述有机
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微胶囊相变材料的方法，其特征在于：具体步骤如下：（1）制备MMF壳材料：乌洛托品和甲醛溶液中加入三聚氰胺，高速搅拌使物质充分溶解，水浴加热至80℃后持续搅拌反应1小时，待溶液澄清后，加入三乙醇胺调节pH值为9，搅拌均匀后得到产物三聚氰胺
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄鹊，徐登基，刘长城，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：