一种包覆型相变材料及其制备方法、应用

本发明涉及相变材料，尤其是一种包覆型相变材料及其制备方法、应用。

背景技术：

1、随着经济和工业的快速持续发展，“能源危机”已成为人类文明和全球经济稳定可持续发展面临的严重问题和社会焦点。相变材料(pcm)，可以在相变过程中储存或释放潜热，为缓解能源危机提供有效方法。相变储能技术不仅可以实现节能减排，还可以缓解能源供需在时间、强度和位置上的不匹配。相变材料，特别是有机相变材料，如聚乙二醇(peg)、石蜡和脂肪酸，具有许多理想的特性，包括高能量密度、无毒、无腐蚀性和良好的化学稳定性它在太阳能储存，空调节能，建筑供暖和热管理方面具有广泛的应用前景。

2、根据不同的分类模式，pcm可以基于熔点、种类和相变机理分为以下几类：

3、1)固-固相变材料，在相变过程中不会改变其状态，但pcm晶体类型必须随着吸热和释放而变化，应用范围受限；

4、2)固-气相变材料，在相变过程中会产生大量气体，材料体积变化极为明显，导致其相变潜热在这种情况下最大，因此工程中很少使用这种材料；

5、3)液-气相变材料，主要用于热管、热虹吸、毛细管泵回路等，在建筑节能领域在相变过程中同样会存在体积变形较大的问题；

6、4)固-液相变材料，具有广泛的应用，特别是因为常用的水合盐和蜡可以很容易地获得。

7、然而，固液相变材料的实际应用也还受到两个缺点的严重限制，即固有的低导热率和熔点以上形状稳定性差。较差的的导热性使相变材料具有较大的温度梯度，导致降低储热和释放热量的效率；此外，当温度超过相变材料的熔点后，相变材料液化，导致相变材料形变大，泄漏明显，这对相变材料的使用非常不利并且伴随安全隐患。

8、目前，提高相变材料热导率的方法，一般是通过加入导热填料，例如金属纳米粒子、炭黑、碳纳米管、氮化硼、石墨、石墨烯或氧化石墨烯。另外由于导热填料具有不熔化的特性，也可以直接添加导热填料，且也有助于稳定相变材料的形状。但是，需要高含量的导热填料来构建连续的导热通道才能获得令人满意的形状稳定性。这意味着大部分相变材料被填料取代，导致显著损害了熔化潜热。

9、有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术问题，本发明目的之一提供一种包覆型相变材料，以解决目前固液相变材料存在的导热性差以及熔点以上形状稳定性差的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种包覆型相变材料，包括相变材料和包覆于所述相变材料表面的包覆层，所述包覆层为表面负载有液态金属的石墨烯气凝胶。

4、优选的，所述相变材料为石蜡、聚乙二醇、脂肪酸中的至少一种；所述包覆层的厚度为150～300μm。

5、本发明目的之二提供了一种上述所述的包覆型相变材料的制备方法，包括以下步骤：

6、s1、将液态金属与氧化石墨烯、还原剂混合后反应，得石墨烯水凝胶，水洗，透析，干燥后得表面负载有液态金属的石墨烯气凝胶，记为ga/lm；

7、s2、采用真空浸渍法向熔融态的相变材料中加入步骤s1得到的ga/lm，反应后取出，干燥，得到包覆型相变材料。

8、优选的，所述液态金属与氧化石墨烯的质量比为(1～4):(6～9)。

9、优选的，步骤s1中，先将液态金属与氧化石墨烯混合分散，再加入还原剂一同混合，反应2～4h，得石墨烯水凝胶。

10、优选的，步骤s2中，真空温度为70℃～90℃；反应时间为40～80min。

11、优选的，所述液态金属为镓基液态金属，其中镓在镓基液态金属中的质量占比为40％～95％。

12、优选的，镓基液态金属的制备方法为：采用加热方法将金属镓转为液体状态，然后加入其他金属一同混合形成相溶的液态，保温，得镓基液态金属。

13、优选的，所述还原剂为维生素c；所述液态金属为镓铟锡合金、镓铟合金、镓锡合金中的至少一种；加热的温度为30℃～120℃；保温的温度为30℃～120℃，保温的时间为5min～15min。

14、本发明目的之三提供了一种上述所述的包覆型相变材料或由上述所述的包覆型相变材料的制备方法制得的包覆型相变材料在储能领域中的应用。

15、本发明的有益效果体现在：本发明提供的新型相变材料，在常规相变材料的表面增加包覆层的设置，并采用表面负载有液态金属的石墨烯气凝胶作为包覆层，其中石墨烯气凝胶一方面可通过毛细作用将相变材料吸附在石墨烯气凝胶结构中，从而形成包覆型结构，防止温度升高后相变材料在相变过程中的泄露问题，并保证相变材料熔点以上形状的稳定性；另一方面可为相变材料提供导热路径，同时还在石墨烯气凝胶上负载液态金属，该液态金属可大幅度提升作为导热路径石墨烯气凝胶的热导率，解决了石墨烯气凝胶由于其残留的含氧基团和结构缺陷而导致机械脆性大且导热效率低的问题。由此，本发明通过该包覆层的增设，解决了目前固液相变材料存在的导热性差以及熔点以上形状稳定性差的问题。

技术特征：

1.一种包覆型相变材料，其特征在于，包括相变材料和包覆于所述相变材料表面的包覆层，所述包覆层为表面负载有液态金属的石墨烯气凝胶。

2.根据权利要求1所述的包覆型相变材料，其特征在于，所述相变材料为石蜡、聚乙二醇、脂肪酸中的至少一种；所述包覆层的厚度为150～300μm。

3.一种权利要求1或2所述的包覆型相变材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的包覆型相变材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属与氧化石墨烯的质量比为(1～4):(6～9)。

5.根据权利要求3或4所述的包覆型相变材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，先将液态金属与氧化石墨烯混合分散，再加入还原剂一同混合，反应2～4h，得石墨烯水凝胶。

6.根据权利要求3所述的包覆型相变材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，真空温度为70℃～90℃；反应时间为40～80min。

7.根据权利要求3所述的包覆型相变材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属为镓基液态金属，其中镓在镓基液态金属中的质量占比为40％～95％。

8.根据权利要求7所述的包覆型相变材料的制备方法，其特征在于，镓基液态金属的制备方法为：采用加热方法将金属镓转为液体状态，然后加入其他金属一同混合形成相溶的液态，保温，得镓基液态金属。

9.根据权利要求8所述的包覆型相变材料的制备方法，其特征在于，所述还原剂为维生素c；所述液态金属为镓铟锡合金、镓铟合金、镓锡合金中的至少一种；加热的温度为30℃～120℃；保温的温度为30℃～120℃，保温的时间为5min～15min。

10.一种权利要求1或2所述的包覆型相变材料或由权利要求3～9任一项所述的包覆型相变材料的制备方法制得的包覆型相变材料在储能领域中的应用。

技术总结
本发明提供了一种包覆型相变材料及其制备方法、应用，该包覆型相变材料包括相变材料和包覆于相变材料表面的包覆层，包覆层为表面负载有液态金属的石墨烯气凝胶。相比于常规的相变材料，本发明在表面增加了包覆层的设置，并采用表面负载有液态金属的石墨烯气凝胶作为包覆层，其中石墨烯气凝胶一方面可通过毛细作用将相变材料吸附在石墨烯气凝胶结构中，从而形成包覆型结构，防止温度升高后相变材料在相变过程中的泄露问题，并保证了其熔点以上形状的稳定性；另一方面还大幅度提升作为导热路径石墨烯气凝胶的热导率，解决了石墨烯气凝胶由于其残留的含氧基团和结构缺陷而导致机械脆性大且导热效率低的问题。

技术研发人员：张齐贤,马金龙,周晓宇,郭振凯,曹彦鹏,虞哓,孙域岩,李风华,李爱军,黄健,罗立强
受保护的技术使用者：上海大学绍兴研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21