一种生物炭基定型复合相变储能材料的制备方法及应用

本技术涉及一种生物炭基定型复合相变储能材料的制备方法及应用，属于复合相变储能材料。

背景技术：

1、物质一般以三种形态存在，即气态、液态和固态。当物质从一种相态到另一种相态的变化称为相变。能够发生相变过程的材料称为相变材料(pcm)。相变材料的实质是对热能进行储存与转化，达到温度的动态平衡。当外界温度高于材料相变温度时，材料发生固-液相态的变化，从外界环境吸收热量并储存起来；当外界温度低于相变温度时，会发生液-固相态转变，将能量释放出来。从而达到调节周围环境温度和节能的效果。简单来说，也就是相变材料发生相变转变时，会从外界吸收或者释放能量，且这个过程温度变化很小。相变储能有相对较高的储能密度，理想的相变温度区间和接近恒温的储放热过程，在能源利用领域表现出巨大的潜力。相变材料中应用最多的为有机固液相变材料，具有体积变化小、相变潜热大、相变温度可调、热稳定性和化学稳定性好、易获取无毒等优点，但普遍存在易泄露、导热率低两大问题。也正是这样才限制了其进一步发展。如何解决这两个问题是当前研究相变储能中最需要解决的问题。目前采用封装材料来限制相变材料发生相变时的泄露问题，添加碳系材料或高导热的金属纳米颗粒来提高热导率。然而在相变复合储能材料中，相变材料是储能中起关键作用的物质，添加的高导热的材料会降低相变材料的密度，减小相变潜热。怎样提高相变材料在相变复合材料中的密度同时还能将最大程度的利用相变材料的潜热是本发明解决的方向。

技术实现思路

1、本技术提出的生物炭基定型复合相变储能材料中的生物质是指能够所有植物、微生物以及植物、微生物为食的东西及其生产的废弃物。具有来源广泛、价格低廉、绿色可降解等优点。生物质内部有大量的孔隙，可以通过毛细血管和氢键的作用将相变材料限制在孔隙内部。然而天然的生物质材料内部的孔道还含有树脂或其他的杂质，本技术采用先将生物质首先进行脱木素处理，获得良好的三维多孔结构之后，再进行高温热处理即炭化提高热导率。炭化后得到的生物质炭材料不仅可以保留原有的三维多孔结构，又由于高温，生物质内部的一些杂质进一步脱除，不仅可以扩大孔径大小，高温下sp2的杂化碳原子增多，可增加材料的石墨化程度，还能提高材料的热导率，改善相变材料热导率低的问题。生物炭基定型的复合相变材料不仅可以很好的将相变材料封装而且同时还能提高相变材料的热导率，加快传热效率。在这基础之上，为进一步提高热导率，再添加高导热的材料，能够进一步提高热导率。本技术制备的高热导率的生物炭基定型复合相变储能材料可应用在建筑、电子、太阳能热转换领域。

2、所制备的生物炭基定型复合相变储能材料能同时解决相变材料固有的低热导和易泄露问题。解决泄露问题也即这样相变材料可以尽可能多的封装在生物炭基中，具有更优异的相变能力。解决热导率问题是由于理想的相变材料能在短时间内储存和释放大量能量，当提高导热系数是就能够提高储热过程中的蓄放热速率，提高使用效率，更有利于热能的储存和释放。

3、根据本技术的一个方面，提供了一种生物炭基定型复合相变储能材料的制备方法，包括以下步骤：

4、a)将天然生物质经脱木素处理得到脱木素生物质；

5、b)将所述脱木素生物质进行高温炭化，得到生物炭基材料；

6、c)向所述生物炭基材料置于含有相变材料和高导热材料的混合溶液中，浸渍，得到所述生物炭基定型复合相变储能材料；

7、所述相变材料选自聚乙二醇、赤藓糖醇、硬脂酸、石蜡、棕榈酸、内豆蔻酸中的至少一种，所述聚乙二醇的分子量为1500～10000；

8、所述高导热材料选自一维碳纳米纤维、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、二维石墨烯、氧化石墨烯，三维多孔膨胀石墨、石墨泡沫、铜纳米颗粒、铝纳米颗粒、银纳米颗粒、三氧化二铝、四氧化三铁、二氧化钛、二氧化dd220858i-dl

9、硅、氮化硼中的至少一种。

10、可选地，所述脱木素处理的具体过程为：

11、将天然生物质经化学处理，漂白处理，冷冻干燥，得到所述脱木素生物质。

12、可选地，所述天然生物质选自巴尔沙木、玉米秸秆根茎、杨木粉、松木粉、稻壳粉中的至少一种。

13、可选地，所述化学处理的药液组合i包括醋酸钠和次氯酸钠。

14、可选地，在所述药液组合i中，所述醋酸钠的质量分数为0.8％～1.0％，所述次氯酸钠的质量分数为1％～3％。

15、可选地，所述天然生物质与所述药液组合i的固液比为1：10～15。

16、可选地，所述药液组合i的ph为4～5。

17、可选地，所述化学处理的温度为60～100℃，所述化学处理的时间为2～8h。

18、可选地，所述漂白处理的漂白剂为过氧化氢。

19、可选地，所述漂白剂的质量浓度为15％～40％。

20、可选地，所述漂白处理的温度为60～100℃，所述漂白处理的时间为2～8h

21、可选地，所述冷冻干燥的时间为8～12h。

22、可选地，所述高温炭化的条件为：在氮气气氛下，通入的氮气流量为20～60ml/min，以3～10℃/min温度升至200～500℃，保温1～3h，再以3～10℃/min升温500～1000℃保温1～3h。

23、可选地，所述生物炭基材料与相变材料、高导热材料的质量比为1：15～45：5～15。

24、可选地，所述生物炭基材料与相变材料、高导热材料的质量比为1:15:5、1:25:10、1:30:10、1:45:15中的任意值或两值之间的范围值。

25、可选地，所述浸渍的压力为-0.1mpa～0.8mpa，所述浸渍的温度为60～80℃，所述浸渍的时间为1～2h。

26、根据本技术的再一个方面，提供了上述制备方法得到的生物炭基定型复合相变储能材料在建筑、电子、太阳能热转换领域的应用。

27、本技术对制备得到的生物炭基定型复合相变储能材料进行泄露测试、称重计算封装率、热性能测试、导热性能测试和太阳光-热转换测试。

28、所述泄露测试仪器为鼓风干燥箱；

29、所泄露测试条件为：温度80～110℃，每隔时间为1～2h记录重量，当前后重量相差在1％之内时即完成，得到稳定的生物炭基复合相变储能材料；

30、所述封装率计算公式为w＝[(m2-m1)/m2]*100％，其中w为封装率，m1为初始生物质重量，m2为鼓风处理后生物质重量；

31、所述制备的复合相变材料的相变性能是使用差示扫描量热仪进行测试；

32、所述差示扫描量热仪测试时先采取循环升温降温的模式，在测试之前先进行一个升降温循环，然后进行正常的测试记录数据，以消除热误差；

33、所述差示扫描量热仪测试时升温范围为10-70℃，升降温速率为5℃/min；

34、所述制备的复合相变材料的有效焓含量f计算公式为f＝[hcpcm/hpurepcm]*100％，其中hcpcm为复合相变材料的相变焓，hpurepcm为纯相变材料的相变焓，单位为j/g；理想状态的相变储能复合材料要求接近纯相变材料的高热能存储能力。而具有热能存储能力的仅限于相变材料，故在使用封装材料解决泄露和添加高热导材料解决低热导率问题时尽可能增加相变材料的含量，提升相变焓；

35、所述制备的复合相变材料热导率的测试是使用激光导热系数测定仪，在常规模式下进行测试。

36、此外本技术为证明生物炭基复合相变材料不仅能够提高相变材料的封装效率，同时也能提高热导率。将天然生物质原料、脱木素处理生物质材料、炭化天然生物质原料和炭化脱木素生物质材料与相变材料进行浸渍处理得到复合相变材料，采取4组进行对比实验，每组的具体操作如上所述。在这基础之上，再添加高导热材料。其作用在于不仅能够进一步提高热导率，部分高导热材料如碳系材料具有广谱的光热转换性能，是一种理想的光热转换介质，可在太阳光的照射下，通过自身的光热转换机制将光能转化为热能。其中相变材料再将得到的热能储存，在需要的特定情况下再将热能释放出来，拓宽了相变材料在高效太阳能热利用领域的应用。

37、本技术能产生的有益效果包括：

38、1)本技术所提供的制备方法，对生物质原料进行的脱木素处理可以保留纤维素框架，通过纤维素与相变材料之间的氢键作用和生物质材料固有的三维孔道将相变材料限制在其中；

39、2)本技术所提供的制备方法，对脱木素后的生物质材料进行高温炭化处理，脱除树脂以及其他的杂质，进一步扩大孔径，增加对相变材料的吸附量。同时经过高温炭化处理后的生物质材料中sp2的杂化碳原子增多，可增加材料的石墨化程度，提高材料的热导率，改善相变材料热导率低的问题；

40、3)本技术所提供的制备方法，制备的生物炭基定型复合相变储能材料的制备能够同时解决相变材料易泄露和热导率低两个问题。