一种多孔碳基相变复合材料及制备与应用

本发明属于一种可用作光热转换相变材料的石蜡/兰炭废水基酚醛树脂多孔碳复合材料的制备方法，特别涉及通过高温碳化，真空浸渍等方法制备用于光热转换的多孔碳基相变复合材料，属于相变复合材料领域。

背景技术：

1、在低碳背景下，可再生能源(太阳能、热能、风能、氢能等)的利用受到了极大的关注，尤其是太阳能的收集和利用。在太阳能的多种利用方式中，光热转换即利用太阳能光照辐射直接转换为热能被认为是最有效，最可靠的方式之一。太阳能光热转换主要取决于材料的光热转换效率、热导率、成本。与显热储热相比，相变材料在相变过程中吸收或放出大量的潜热且温度接近恒定，是一种非常适用于太阳能热能储热的材料。同时，在各种有机相变材料中，有机相变材料因其储能密度大、工作温度范围广、稳定性长、无腐蚀性、低毒性等特性而受到广泛关注。然而，在太阳能光热转化中使用的有机相变材料的常见问题是其固有的吸光能力较弱，以及固体-液相变过程中的低导热率和泄漏。为了克服这些缺点，人们通过用高导热的填料合成相变复合材料，以提高其光捕获能力、导热性以及形状稳定性。碳基填料，如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、和碳纳米纤维经常与有机相变材料结合，但是这些碳基支持材料的合成方法或实验条件通常过于复杂或昂贵，无法应用于实际的太阳能光热转换。

2、另一方面，煤中低温干馏生产兰炭时产生的兰炭废水是一种高毒有机含酚废水。现阶段对兰炭废水的处理仍然停留在酚类的萃取回收，工艺复杂，成本较大。根据以废制废、变废为宝的思路，对兰炭废水资源化利用，加入甲醛将兰炭废水中的酚类物质转化为酚醛树脂。但是，该方法生成的兰炭废水基酚醛树脂成分复杂，难以直接利用。

3、本发明将兰炭废水基酚醛树脂和氢氧化钾混合，高温炭化活化制备得到多孔碳材料，然后将相变材料真空浸渍到多孔碳中最终得到多孔碳基相变复合材料。在复合相变材料中，相变材料负载率高，具有良好的储热性能和定型能力，同时导热性能明显得到改善。本发明制备方法简单，成本低，为制备具有高导热性的形状稳定复合材料提供了一种很有前途的方法。

技术实现思路

1、本发明提出了通过兰炭废水基酚醛树脂高温炭化活化制备多孔碳材料，然后通过真空浸渍法将相变材料与酚醛树脂结合得到多孔碳基相变复合材料。

2、制备多孔碳基相变复合材料包括以下步骤：

3、(1)首先，将兰炭废水基酚醛树脂和koh在研钵中按一定比例混合均匀。得到的混合物在氮气气氛中，于管式炉中一定温度下炭化一定时间得到多孔碳前驱体。将多孔碳前驱体冷却至室温后，用一定量的盐酸和去离子水洗涤，然后烘干得到多孔碳材料。

4、(2)将相变材料与(1)中得到的多孔碳载体混合，放于真空干燥箱中使相变材料充分浸渍到载体结构中，制得多孔碳基复合相变材料。

5、进一步地，所述步骤(1)中兰炭废水基酚醛树脂和koh的质量比为兰炭废水基酚醛树脂：koh＝1：2-1：4。

6、进一步地，所述步骤(1)中酚醛树脂与氢氧化钾的混合物放入管式炉中通入氮气加热炭化，升温速率为5℃/min，炭化温度为800-900℃之间

7、进一步地，所述步骤(1)中炭化后的多孔碳前驱体先加入1mol/l盐酸100-200ml搅拌5-7h，然后用去离子水水洗至中性，最后80℃干燥12h得到多孔碳。

8、进一步地，所述步骤(2)中的相变材料为石蜡，熔点为58-60℃。多孔碳材料和过量石蜡放入烧杯中，然后将烧杯放入真空干燥箱中，使石蜡融化且完全浸没多孔碳材料。

9、进一步地，所述步骤(2)中真空烘箱的设定温度为80-100℃，真空度为-0.1mpa。

10、进一步地，所述步骤(2)中真空浸渍的时间为2-4h。

11、进一步地，将所述步骤(2)中真空浸渍后得到的复合材料放在滤纸上一同放入烘箱，烘箱温度设定为80℃，隔1-3h更换一次滤纸，直到滤纸上没有石蜡泄露为止，最后得到相变复合材料。

12、一种多孔碳基复合相变材料，通过所述多孔碳基复合相变材料制备方法最终制得。

13、本发明制备的多孔碳基相变复合材料，，具有优秀的储热性能和定型效果。

14、本发明基于废物资源化利用和能源转换等问题，选定兰炭废水基酚醛树脂制备的多孔碳作为基体和石蜡作为相变材料来制备多孔碳基相变复合材料。本发明得到的多孔碳基相变复合材料不仅可以解决有机相变材料的液相泄露问题，而且也提高了相变材料的导热能力。同时，本发明制备方法简单，操作要求低，制得的复合相变材料可将太阳能转换为热能。

15、本发明制得的相变复合材料成本低、热稳定性好并且储热性能优良，可以用于热能转换、收集和储存。同时兰炭废水基酚醛树脂有着成本低、环保的优点。

技术特征：

1.一种多孔碳基相变复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中酚醛树脂与氢氧化钾的质量比为1：2-4之间，当比例为1：3时反应效果最佳。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳化时所用惰性气体为氮气，将酚醛树脂与氢氧化钾的混合物放入管式炉中通入氮气加热碳化，升温速率为2-5℃/min，碳化温度为600-900℃之间，优选碳化温度为800-900℃，更优选碳化温度为850℃

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，相对于3g酚醛树脂，所述步骤(1)中炭化后的多孔碳前驱体先加入1-1.5mol/l盐酸100-200ml搅拌5-7h，然后用去离子水水洗至中性，最后80-100℃干燥12-24h得到多孔碳。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行步骤(2)时，取步骤(1)得到的多孔碳材料和相变材料石蜡放入敞口容器中，然后将敞口容器放入真空干燥箱中，使石蜡融化且完全浸没多孔碳材料；

6.如权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，在进行步骤(2)时，对真空浸渍后的复合材料进行多余石蜡的泄露。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在进行步骤(2)时，泄露过程为，将真空浸渍后的复合材料放置于滤纸上，然后将放置复合材料的滤纸放入烘箱中，烘箱温度设定为80-100℃，每隔1-3h更换一次滤纸，直到滤纸上没有石蜡泄露为止，最后得到相变复合材料。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，酚醛树脂为兰炭废水基酚醛树脂。

9.一种权利要求1-8任一所述的制备方法制得的多孔碳基相变复合材料。

10.一种权利要求9所述相变材料的应用，其特征在于：相变复合材料可用作光热转化与储存；可通过太阳光照射在相变复合材料表面，使相变材料达到相变温度，储存热量，将太阳能转化为热能。

技术总结本发明公开了酚醛树脂衍生的多孔碳基相变复合材料及制备和应用，包括以下步骤：步骤一、制备酚醛树脂基多孔炭，将利用兰炭废水制备的酚醛树脂与氢氧化钾混合均匀，然后将混合物放入管式炉中在氮气气氛下炭化活化，最后加入盐酸水洗至中性，干燥得到多孔碳载体；步骤二、将多孔碳载体与相变材料混合，放置于真空干燥箱浸渍，使相变材料充分填充到多孔碳载体结构中，最终得到相变复合材料。本发明制得的相变复合材料成本低、热稳定性好并且储热性能优良，可以用于热能转换、收集和储存。同时兰炭废水基酚醛树脂有着成本低、环保的优点。技术研发人员：史全,王献杰,闫龙,孙克衍受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18