一種具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米材料及其制備方法，具體地說是一種具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料及其制備方法。
二、【背景技術(shù)】
[0002]目前能源與環(huán)境危機(jī)的日益加劇迫使人們?cè)趯ふ液屠每稍偕茉吹耐瑫r(shí)盡可能地合理高效利用現(xiàn)有能源。即合理利用現(xiàn)有的不可再生能源和開發(fā)可再生的新能源占有同樣的地位。而節(jié)約利用現(xiàn)有的不可再生能源是合理利用現(xiàn)有能源的關(guān)鍵，也是當(dāng)前人們關(guān)注的核心，而且節(jié)能水平是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之
O
[0003]熱能是能源利用中最廣泛的使用形式，在各種能源的利用中，85-90%都是通過轉(zhuǎn)換成熱能來滿足人們的需求。而熱能的浪費(fèi)及其低效率的使用一直是世界各國(guó)亟待解決的難題。據(jù)美國(guó)2002年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，在各種能源的利用過程中其中58%的能源主要以熱的形式無意義地被耗散了。所以，合理并高效利用熱能是節(jié)能降耗的關(guān)鍵問題之一。
[0004]節(jié)能領(lǐng)域，將低品位的熱能像太陽光熱、地?zé)岷凸I(yè)余熱等進(jìn)行收集存儲(chǔ)并進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換成其他較高品位的能量比如電能加以利用是當(dāng)前節(jié)能發(fā)展的主流方向之一。所謂節(jié)能，是指將工業(yè)余熱廢熱等等進(jìn)行高效率的收集存儲(chǔ)或進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，然后再利用，達(dá)到有效的節(jié)約能源、高效利用能量、降低能耗的目的。其核心材料稱為節(jié)能材料。這種可通過改變相變材料種類和含量等進(jìn)行調(diào)節(jié)的節(jié)能材料是當(dāng)今節(jié)能領(lǐng)域人們追求的目標(biāo)，以節(jié)能材料為基礎(chǔ)，發(fā)展的節(jié)能技術(shù)是該領(lǐng)域研究的前沿。
[0005]利用物質(zhì)在相變過程中吸能和釋能的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和利用是近年來在能源、材料、航空航天、紡織、電力、醫(yī)學(xué)儀器、建筑等眾多領(lǐng)域活躍的方向之一。相變儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)能溫度容易控制和選擇范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，目前在一些領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化和商品化階段。相變儲(chǔ)能材料種類很多。在建筑等領(lǐng)域嘗試采用相變儲(chǔ)能材料降低建筑能耗已經(jīng)有較長(zhǎng)的歷史。但本身易泄漏、封裝要求高、易老化等缺點(diǎn)，限制了其在電子器件散熱領(lǐng)域的應(yīng)用。另一方面，低熱導(dǎo)率是限制有機(jī)相變儲(chǔ)熱材料大規(guī)模推廣應(yīng)用的另外一個(gè)技術(shù)瓶頸問題。因此結(jié)合兩種相變的優(yōu)點(diǎn)，人們發(fā)展了定形相變材料，在一定程度上改善了相變儲(chǔ)熱材料的性能，但傳統(tǒng)的定形相變材料在實(shí)際應(yīng)用中依舊存在封裝等方面的問題，無法從根本上改變上述兩種體系的缺點(diǎn)。
[0006]石墨烯，是一種新興二維碳納米材料，是已知的世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m.Κ，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子迀移率超過15000cm2/V又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約1Ω.πι，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料，由于以上這些優(yōu)良的機(jī)械性能、非同尋常的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能以及輕質(zhì)高強(qiáng)度的特性而受到極高的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域。
[0007]由于石墨烯的平面結(jié)構(gòu)和超高的比表面積，可通過納米界面限域?qū)崿F(xiàn)對(duì)有機(jī)相變材料的限域封裝，為制備定形相變材料提供了可能，同時(shí)制備一種具有智能節(jié)能石墨稀復(fù)合相變材料為熱能的高效利用提供很好的材料體系。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了克服有機(jī)相變材料的易泄漏、封裝要求高、易老化、低熱導(dǎo)等缺點(diǎn)，提供一種定形相變的節(jié)能石墨烯復(fù)合相變材料及其制備方法，通過改變相變材料的種類從而獲得不同相變溫度和不同儲(chǔ)熱能力的具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料和制備方法。
[0009]本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0010]本發(fā)明具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料，其特點(diǎn)在于:所述三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料是由石墨烯以三維骨架結(jié)構(gòu)相互連接的形式自組裝在有機(jī)相變材料中得到的，在所述三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料中有機(jī)相變材料質(zhì)量占5-95 %，余量為石墨烯；在所述三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料中，有機(jī)相變材料提供儲(chǔ)熱能力，石墨烯為熱收集和熱傳輸提供導(dǎo)熱通道；
[0011 ] 所述有機(jī)相變材料為脂肪醇或脂肪酸。
[0012]優(yōu)選的，所述脂肪醇為聚乙二醇或正十四醇，所述脂肪酸選自硬脂酸、月桂酸或棕櫚酸。所述聚乙二醇為PEG2000、PEG6000或PEG20000。
[0013]上述具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料的制備方法，其特點(diǎn)在于包括以下步驟:
[0014]a、氧化石墨的制備
[0015]將1.2g石墨置于60mL質(zhì)量濃度98 %的濃硫酸、2g K2S2O8和2g P 205的混合溶液中，在85°C反應(yīng)4.5小時(shí)，反應(yīng)后用400mL去離子水稀釋反應(yīng)液，依次經(jīng)過濾、洗滌和60°C真空干燥后得到氧化石墨；
[0016]b、氧化石墨烯的制備
[0017]向10mg步驟a得到的氧化石墨中加入50mL質(zhì)量濃度98%的濃硫酸和2g KMnO4,于35 °C反應(yīng)2小時(shí)，然后向反應(yīng)液中加80mL去離子水，再于95 °C繼續(xù)反應(yīng)0.5小時(shí)，隨后加入120mL去離子水和6mL質(zhì)量濃度30 %的雙氧水溶液終止反應(yīng)，依次經(jīng)離心、洗滌和30-40°C真空干燥后得到氧化石墨烯；
[0018]所述洗滌是依次用質(zhì)量濃度10 %的HCl溶液和去離子進(jìn)行洗滌；
[0019]C、石墨烯的制備
[0020]將10mg步驟b中得到的氧化石墨烯超聲分散在10mL去離子水中，然后加入
0.1g的抗壞血酸L-AA，室溫條件下磁力攪拌24小時(shí)，即得到分散性良好的石墨烯；
[0021]d、具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料的制備
[0022]將有機(jī)相變材料加熱融成液態(tài)，然后按照目標(biāo)產(chǎn)物中有機(jī)相變材料和石墨烯的質(zhì)量配比，向有機(jī)相變材料中加入以水或環(huán)己烷為溶劑的石墨烯溶液并混合均勻；在不低于有機(jī)相變材料的相變溫度下攪拌加熱5h以蒸干大部分溶劑，然后保持溫度不變繼續(xù)靜置蒸發(fā)5h，最后室溫干燥，即得節(jié)能三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料。
[0023]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0024]1、本發(fā)明將石墨烯與有機(jī)相變材料混合后，利用自組裝技術(shù)將石墨烯以3D網(wǎng)絡(luò)狀相互連接的方式自組裝在有機(jī)相變材料中，從而獲得具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料，由于石墨烯巨大的比表面積為納米界面限域提供了基礎(chǔ)，能夠很好的防止有機(jī)相變材料的泄漏、老化，石墨烯無與倫比的導(dǎo)熱性能很大程度上提高了材料熱導(dǎo)等性能；而現(xiàn)有技術(shù)中Wang ff.L.科研小組在2009年《Applied Energy》上的報(bào)道，采用膨脹石墨與聚乙二醇(PEG)混合的方法獲得儲(chǔ)能材料。這種單純采用混合的方法獲得的材料，聚乙二醇與膨脹石墨混合不均勻，影響材料的熱導(dǎo)性能。
[0025]2、本發(fā)明可以通過使用不同的碳鏈長(zhǎng)度的聚乙二醇或脂肪酸來作為相變材料以獲得不同相變溫度區(qū)間的石墨烯復(fù)合相變材料，隨著聚乙二醇數(shù)均分子量從2000增至20000，由于不同的聚乙二醇的不同的相變焓和相變溫度，石墨烯復(fù)合相變材料的儲(chǔ)放熱能力和儲(chǔ)放熱溫度也隨之改變，可滿足對(duì)不同溫度要求的需要。
[0026]3、與傳統(tǒng)有機(jī)相變材料相比較，本發(fā)明具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料還具有良好可塑性，可以通過不同的模具得到不同形狀和厚度等，還可以剪裁成不同的形狀，因此可以更廣泛地適用于不同要求的電子器件的熱界面材料中。
[0027]4、本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，成本低，在一般化學(xué)實(shí)驗(yàn)室均能完成，易于推廣，便于應(yīng)用。
四、【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明方法制備的不同形狀和厚度的具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料的光學(xué)照片。
[0029]圖2是本發(fā)明方法制備的具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料的掃描電子顯微鏡圖，從圖2中可以看出石墨烯以3D網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)自組裝在有機(jī)相變材料中。
[0030]圖3是實(shí)施例1和實(shí)施例2所得不同PEG6000質(zhì)量百分含量的三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料的XRD譜圖，從圖3中可以看出石墨烯在復(fù)合相變材料中無序非層狀結(jié)構(gòu)的排列。
[0031]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1所得三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料及原始PEG6000的防泄漏情況測(cè)試的光學(xué)照片，從圖中可以看出溫度高出相變材料的相變溫度時(shí)，三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料沒有任何變化，但原始相變材料變成液體。
[0032]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2所得不同PEG6000質(zhì)量百分含量的三維石墨烯骨架/聚乙二醇PEG6000復(fù)合相變材料的DSC圖，從圖中可以看出，本發(fā)明節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料具有很好的吸熱放熱性能，利用價(jià)值很高。
五、【具體實(shí)施方式】
:
[0033]以下結(jié)合具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
[0034]實(shí)施例1:
[0035]本實(shí)施例中具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料是由石墨烯和有機(jī)相變材料PEG2000通過自組裝得到的，其中有機(jī)相變材料PEG6000的質(zhì)量為9.5g，石墨稀的質(zhì)量為0.5g。
[0036]本實(shí)施例中具有儲(chǔ)熱放熱性能的節(jié)能型三維石墨烯骨架復(fù)合相變材料是按以下方法制備得到的:
[0037]將1.2g石墨置于60mL質(zhì)量濃度98%的濃硫酸、2g K2S2OjP 2g P 205的混合溶液中，在85°C反應(yīng)4.5小時(shí)，反應(yīng)后用400mL去離子水稀釋反