膨脹石墨/有機質復合相變材料的制備及性能

徐眾，侯靜，李軍，吳恩輝，黃平，劉黔蜀，胥大偉

（1 攀枝花學院釩鈦學院，四川攀枝花617000；2 四川省太陽能利用技術集成工程實驗室，四川攀枝花617000；3 太陽能技術集成及應用推廣四川省高校重點實驗室，四川攀枝花617000）

采用有機相變材料進行熱能儲存，可以提高太陽能高效利用，但是其存在導熱性能差和易泄漏等缺點。為解決這一問題，國內外的學者嘗試在有機質相變材料中添加膨脹石墨來提高導熱性能，減小泄漏。其中李云濤等[1]研究表明在石蠟當中添加膨脹石墨，材料的熱導率隨膨脹石墨含量增加成線性增長，且經過20 次熱循環之后未產生新物質，說明化學穩定性比較高。姜貴文等[2]制備了不同質量分數膨脹石墨/石蠟復合相變材料，采用壓球機在4MPa 條件下壓制成塊狀體和空心圓柱體，應用于抑制鋰電池溫度升高過快，結果表明材料熱導率會隨膨脹石墨的含量增加而增大，而鋰電池表面溫度則會隨之降低。胡小冬等[3]制備的膨脹石墨/石蠟復合相變材料，在5MPa 條件下壓制成型，測試材料的導熱會隨膨脹石墨添加而增大。仝倉等[4]通過溶膠凝膠法和真空浸滲法制備了聚乙二醇/二氧化硅/膨脹石墨復合定型相變材料，材料的熱導率測試結果顯示隨膨脹石墨添加量增加，熱導率也隨之增大，當膨脹石墨質量分數為6%的時候熱導率為1.867W/(m·K)。翟天堯等[5]采取熔融吸附法制備膨脹石墨/硬脂酸復合相變材料并將其壓制成型，當膨脹石墨質量分數達到20%時，徑向熱導率達到19.6W/(m·K)，比純硬脂酸提高110 倍。施韜等[6]則將5%的膨脹石墨/硬脂酸丁酯復合相變材料添加于石膏建材當中，材料表現出良好的儲（放）熱效果。高麗媛等[7]研究發現在石蠟當中添加體積分數為1%的納米石墨烯或納米石墨烯片后凝固速率比純石蠟分別提升8.7%和6.3%，說明在有機質相變材料當中添加膨脹石墨可以提高復合材料的熱導率。張財進等[8]將熔點為80℃和110℃的兩種石蠟與石墨混合，得到的材料導熱性能更好，充-放熱時間縮短，同時將材料浸泡于衣服布料當中，采用紅外成像儀測試其溫度變化情況，結果表明布料中添加相變材料，可減緩變溫速率。以上研究說明，在有機質材料中添加膨脹石墨可以有效解決熱導率低的問題。

有機質相變材料的缺點之一就是容易泄漏，因此很多研究人員在其中添加多孔支撐材料來抑制有機相變材料相變過程當中易泄漏的問題。其中田云峰等[9]將壓制成成型的膨脹石墨/石蠟復合相變材料放置于67℃恒溫干燥箱中進行吸附效果測試，結果發現添加10%的膨脹石墨時石蠟不會出現泄漏現象。李云濤等[10]將膨脹石墨/石蠟復合相變材料定型之后置于100℃的干燥箱當中循環充放熱20 次，探究EG 含量對石蠟浸出系數的影響，結果發現膨脹石墨質量分數達到10%之后石蠟泄漏基本不變。華建社等[11]在1MPa 壓力下保壓30min 將膨脹石墨/石蠟復合相變材料壓制成型，置于60℃干燥箱中保溫3h 后，發現添加質量分數10%膨脹石墨的復合材料，石蠟未出現泄漏，經過30 次熱循環之后也未出現泄漏。王杰等[12]將制備的膨脹石墨/石蠟復合相變材料置于80℃的干燥箱當中脫附2h，探究膨脹石墨添加量、膨脹容積、吸附溫度和吸附壓力對石蠟泄漏量的影響，結果表明膨脹石墨添加質量分數在6%～10%之間，膨脹容積越大，吸附溫度在85～100℃之間時，泄漏量最小，而壓力在0～100kPa 之間變化時泄漏量基本不變。Igor 等[13]利用線性低密度聚乙烯對膨脹石墨/石蠟復合相變材料進行封裝，將石蠟的泄漏量減少了50%。

為了拓展復合相變材料的應用，研究人員開始對復合材料的導電性能和溫度場分布進行研究，其中王青青等[14]對膨脹石墨/石蠟復合相變材料的熱-電特性能進行分析，熱導率隨膨脹石墨質量分數增加而增大，體積電阻率則相反，熱循環前后熱導率分別為純石蠟的41.4 倍和29.9 倍，電阻率則為1.8Ω·m和0.8Ω·m。由于某些相變材料在生物傳感器、電子器件、電容器、便攜電池、高速路路面、建筑材料等領域具有很好的應用前景，所以李春蕾等[15]采用蒸鍍法合成了導電聚吡咯相變復合材料，采用壓片機將材料壓制成型，并采用四探針測試儀測試其電導率，電導率最高約為2.6×10-2S/cm。任苗[16]采用真空吸附方式制備三元脂肪酸相變儲熱骨料添加到納米碳纖維水泥基材料中制備得到導電相變儲熱混凝土，導熱測試和紅外成像分析結果表明隨納米碳釬維體積摻入量增加電阻率快速下降，導電相變儲熱混凝土在電熱升溫過程中的產熱及散熱均勻性都較好，混泥土均有很好的熱-電性能。何麗紅等[17]將膨脹石墨/石蠟復合相變材料加入到瀝青中，摻入質量分數5%復合相變材料后，可使路面溫度降低5.2℃。高學農等[18]將膨脹石墨/石蠟復合相變應用于電子器件的熱管中，避免器件因溫度瞬間升高而燒毀。東南大學的于華洋[19]和王昊鵬[20]則制備了一種添加相變材料的低電阻率瀝青路面材料，并對材料的導電性能及熱傳導性進行了研究。李云濤等[21]利用膨脹石墨/石蠟復合相變材料的熱效應來調控磷酸鎂水泥水化熱。張像倩[22]和頡江龍等[23]則分別對相變材料的研究進展及其在建筑方面的應用進行了總結。

上述研究結果充分表明在有機質相變材料當中添加膨脹石墨有利于導熱性能的提高，有效減少有機質相變材料的泄漏量，縮短充-放熱時間，但是添加膨脹石墨之后材料的溫度場分布及導電性能的影響研究則很少見，因此本論文以膨脹石墨為支撐材料，石蠟、十六酸和硬脂酸為相變主材制備3種復合相變材料，對材料的充-放熱性能、熱穩定性、導熱性能、溫度場分布和導電性能進行分析，以便實現不同溫度段的儲能，更好地將復合相變材料應用于電子傳感器、電子元件降溫、導電混泥土和導電降溫高速路面材料方面。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗主要材料有石蠟（PW，CnH2n+2），精煉塊狀，熔點59℃，昆侖撫順有限公司；十六酸（PA，C16H32O2），分析純，熔點61～63℃，天津市福晨化學試劑廠；硬脂酸（SA，C18H36O2），分析純，熔點67～70℃，天津市鼎盛鑫化工有限公司；可膨脹石墨（EG），粒度50目，膨脹倍率大于270mL/g，青島巖海碳材料有限公司。

1.2 分析測試儀器

箱式電阻爐（SX2-5-12A 型），紹興市上虞道墟科析儀器廠；恒溫水浴鍋（DK-8D型），金壇區西城新瑞儀器廠；導熱系數測試儀（DRXL-Ⅱ型），湘潭市儀器儀表有限公司；粉末半導體電阻率測試儀（ST2722-SZ 型），蘇州晶格電子有限公司；電熱鼓風干燥箱（101 型），北京市永光明醫療儀器有限公司；電動壓片機（FYD 型），天津市思創精實科技發展有限公司；電子天平（12001型，精度為0.0001g），杭州友恒稱重設備有限公司；分析天平（FA114型，精度為0.0001g），上海海康電子儀器廠；數顯溫度計（MIK-R200D 型），杭州米科傳感技術有限公司；紅外熱成像儀（ST9450型），東莞萬創電子制品有限公司。

1.3 復合相變材料的制備

采用熔融共混法制備膨脹石墨質量分數分別為2%、4%、6%、8%、10%的膨脹石墨/有機質復合相變材料。稱取一定質量的有機質（PW、PA和SA）加入250mL 燒杯中，置于80℃的恒溫水浴鍋（PA和SA 為90℃），待完全融化，加入膨脹石墨攪拌30min，使有機質充分吸附于膨脹石墨孔隙中，取出冷卻，用臺式壓片機壓制成型，文獻中成型壓力選取分別有1MPa[11]、4MPa[2]和5MPa[3]，由于實驗使用的膨脹石墨膨脹容積跟文獻[2]相接近，所以成型壓力選取4MPa，具體工藝流程如圖1所示。

1.4 復合相變材料吸附性能測試

根據文獻[12]中的式(1)計算石蠟質量損失率，石蠟損失率越小，說明膨脹石墨對有機質相變材料的吸附能力越強。測試過程當中將質量為m0的成型復合相變材料置于干凈濾紙中心，置于鼓風干燥箱中加熱30min，干燥箱溫度設置，由于鼓風干燥箱中實際溫度比顯示溫度低，為保證有機相變材料在測試過程中出現固-液相變，所以吸附性能測試溫度選擇高于最高熔點5℃左右，復合相變材料EG/PW、EG/PA 和EG/SA 測試溫度分別設置為65℃、70℃和75℃，加熱結束之后取出，稱量試漏后復合相變材料的質量m1，計算復合相變材料質量損失率η，計算公式見式(1)，當η 接近0 時為最佳配比。

圖1 復合相變材料的制備工藝

式中，m0為試漏前質量，g；m1為試漏后質量，g；η為有機質質量損失率，%。

1.5 相變材料的充-放熱性能測試

采用圖1 的制備工藝，制備3 種復合相變材料，分別取20g 復合材料和純有機質材料置于200mL的燒杯中，將溫度計插入燒杯中心固定，置于80℃的水浴下進行充熱時間測試，當溫度不變時，取出燒杯放入30℃的恒溫水浴中進行放熱時間測試，用于對比純有機質材料和復合材料的充-放熱速率，文獻[1,7,9-10]僅進行1 次充放-熱時間對比，測試為保證準確性進行連續3次充-放熱測試，求取平均值進行對比。

根據文獻[5]中復合相變材料熱穩定性分析方法對制備的復合相變材料的熱穩定性進行測試，將3 個質量為m0的成型復合相變材料樣品置于濾紙上，放入鼓風干燥箱中充熱（干燥箱溫度與1.4 節一致），充熱結束后，置于室溫下放熱，1次充-放熱結束，稱之為1 個循環，每5 次循環稱重1 次，循環60次，稱取其最后質量為m60，根據式(1)計算復合相變材料熱循環后的質量損失率。

1.6 復合相變材料的導熱性能測試

采用圖1 的制備工藝，制備3 個成型復合相變材料，使用熱導率測試儀測試不同溫度下復合相變材料的熱導率。熱導率測試溫度的選取：因為DRXL-Ⅱ型導熱系數測試儀測試要求，測試溫度需要高于常溫30℃左右，結合純相變材料PW、PA和SA 的熔點范圍，選取在相變材料熔點±5℃范圍測試材料的熱導率，所以復合相變材料EG/PW 熱導率測試溫度為55℃、60℃和65℃；EG/PA測試溫度為60℃、65℃和70℃；EG/SA 測試溫度為65℃、70℃和75℃。

1.7 復合相變材料的導電性能測試

根據文獻[24]的測試方法及原理對制備的復合相變材料的電阻率進行測試。采用圖1工藝制備顆粒狀復合相變材料，使用粉末半導體電阻率測試儀測試其電阻率。具體條件：樣品槽高度為10mm，每次測試之后將重新調整高度；初次測試顯示，壓強＞10MPa時，復合相變材料出現爆裂現象，壓力＜10MPa時，復合相變材料外觀表現良好；故復合相變材料電阻率測試的壓力范圍在0～10MPa之間。

2 實驗結果與討論

2.1 復合相變材料吸附效果分析

采用式(1)計算不同復合相變材料泄漏率，具體結果見表1，從表1 中可看出，EG/PW、EG/PA和EG/SA 不泄露比率分別為6%～8%、8%～10%和10%以上。根據表1的結果，制備3個質量分數分別為7%、9%和11%的EG/PW、EG/PA和EG/SA復合材料，再次試漏，結果未出現泄漏，即為最佳吸附配比。

2.2 相變材料的充-放熱性能分析

相變材料測試現象，純石蠟充熱過程為：36.2℃時，開始融化，67℃時，完全融化；放熱過程為：70℃時，底部和杯壁出現固體，40℃時，完全凝固。純十六酸充熱過程為：34.6℃時，開始融化，74.8℃時，完全融化；放熱過程為：在75.8℃時，底部和杯壁出現固體，44℃時，完全凝固。純硬脂酸充熱過程：在33℃時，開始融化，70.3℃時，完全融化；放熱過程：71.2℃時，底部和杯壁出現固體，43℃時，完全凝固。

相變材料充-放熱性能測試結果見圖2 所示，圖中2(a)是純SA，圖2(b)是EG/SA 復合材料，采用相同的方法分析純PW、純PA、EG/PW 和EG/PA復合材料。從圖中可以看出，70℃以前復合材料溫度上升更快，隨后純有機質上升更快；純有機質充熱過程中出現小的溫度回落，是因為純有機質在融化過程當中存在固-液共存態，中心位置的固態融化時間比較長，其附著到熱電偶之上，當那一部分固體脫離溫度計之時則會出現微弱的溫度回落，但持續時間比較短；放熱過程，50℃之前溫度減小比較快，隨后變得緩慢。

表1 不同復合相變材料的泄漏率

圖2 相變材料充-放熱性能測試

相變材料在35～70℃之間充放熱時間見表2，表中Ts為充熱時間，Tr為放熱時間，N1為3次充-放熱時間平均值，N2為除去最小充熱和最大放熱時間的平均值。從平均值N2可以看出添加膨脹石墨之后，充-放熱時間均比純有機質的短，其中EG/PW、EG/PA 和EG/SA 的充熱時間分別比純有機質減小32s、622s 和231s，放熱時間分別減小1040s、1327s 和1311s，放熱時間減小更明顯，說明制備成為復合相變材料之后雖然相變潛熱降低，但充-放熱速率提高。

根據純有機質相變材料在35～70℃之間充-放熱情況，將充-放熱過程分為3 段，對升、降溫速率進行分析，具體結果見表3。從表3 中可看出充熱速率隨溫度升高不斷減小，放熱速率隨著溫度的降低不斷減小；充熱時，固態階段復合材料的升溫速率比有機質快；放熱時，復合材料的降溫速率均比對應有機質快，說明添加膨脹石墨之后能夠有效提升材料的充-放熱速率。

2.3 相變材料溫度場性能分析

將成型復合相變材料置于鼓風干燥箱中進行充熱（設置溫度與1.4節一致），結束之后置于室溫放熱，每隔3min用紅外成像儀拍照1次，測試結果見圖3所示。由于純有機質融化后易漏，且無法進行紅外成像，所以將成型后的純有機質置于鋁盒當中進行充-放熱溫度場性能測試。圖中溫度條的顏色從黑到白依次增加，3個標識溫度由里到外依次為中心溫度、最高溫度和最低溫度；圖3 中分別是PW、EG/PW、PA、EG/PA、SA、EG/SA 相變材料的充-放熱溫度場變化情況。

表3 不同相變材料在溫度段充-放熱速率

從圖3 中可看出充-放熱過程中復合相變材料的溫度場分布均比純有機質均勻；純有機質充熱溫度場分布從外到里依次為紅色、黃色、綠色和藍色，其導熱性能較差，傳熱緩慢，中心溫度低，放熱溫度分布與復合材料基本一致；復合相變材料的溫度分布從外到里依次為藍色、黃色、紅色和紅白相兼色，藍色、黃色和紅色分布于材料外圍，紅白相兼色分布中間區域，面積占比最大；低溫和高溫差值隨充熱時間增加而增大，隨放熱時間增加而減小，最高和中心溫度之間差值比較小；純有機質隨著外部不斷融化之后，溫度較低的區域才不斷縮小，復合材料則是從外到里不斷傳遞，溫度分布較均；溫度場分布最均勻的是EG/PW 復合材料，最差的是EG/PA復合相變材料。

從圖3(a)可以看出，純PW在65℃恒溫條件下，充熱71min 溫度變為67.5℃，放熱36min 溫度變為25.8℃；從圖3(b)中看出，復合材料EG/PW 充熱33min 溫度穩定在50.4℃，放熱30min 溫度降低到32.4℃；從圖3(c)看出，純PA 在70℃恒溫條件下，充熱52min 溫度達到70.0℃，放熱39min 溫度達到25.9℃，從圖3(d)中看出，EG/PA 復合材料充熱27min 溫度穩定在56.9℃，放熱24min 溫度穩定在31.1℃；從圖3(e)看出，純SA 在75℃恒溫條件下，充熱33min 分鐘溫度變為76.1℃，放熱31min 溫度降低到26.6℃，從圖3(f)看出EG/SA 復合材料充熱15min 溫度穩定在49.1℃，放熱24min 溫度穩定在32.5℃；充熱時純PW、PA和SA均能夠上升到烘箱設置溫度，而復合相變材料則比烘箱設置溫度低，因為純有機質相變材料隨溫度的升高不斷從固態變為液態，流動性強，溫度升高快，成型復合材料則是固態，溫度很難達到烘箱設置溫度。

2.4 復合相變材料的熱穩定性分析

根據1.5 節復合相變材料熱穩定性測試方法對3種復合相變材料熱循環過程當中質量損失情況進行測試，循環次數與質量之間的關系見圖4。從圖中可看出經過60 次循環后，復合相變材料的質量損失很小，圖中EG/PW和EG/PA在15次和10次出現微弱減少，之后又回升，EG/SA 復合材料在20次循環時出現質量減少，是由于冷卻時底部有微弱材料剝落所導致。

60次循環之后的質量損失率可根據式(1)計算，結果見表4 所示。從表4 中可看出EG/PW、EG/PA和EG/SA 復合材料質量損失率分別小于0.0180%、0.0490%和0.2100%，比文獻[5]中復合材料的質量損失率低9%，說明制備的3 種復合相變材料有好的熱穩定性。

2.5 復合相變材料導熱性能分析

采用導熱率測試儀對材料的導熱性能進行測試，結果見表5。表中λ0為純有機質材料導熱率（純石蠟0.26[25]、純十六酸0.16[25]、純硬脂酸0.33[25]），λ 是復合材料導熱率。從表中可看出EG/PW 復合相變材料在55～65℃時導熱率在2.63～2.90W/(m·K)之間變化，比純石蠟高10倍左右，比添加質量分數20%的EG 提高17.7倍[1,10]、添加質量分數10%的EG 提高14.7 倍[14]和添加質量分數20%的EG 提高34.5 倍[3]都低，是因為文獻EG 添加量大，復合材料的導熱率就大；EG/PA復合相變材料在60～70℃是導熱率在1.44～2.48W/(m·K)之間變化，比純十六酸高8～14倍左右；EG/SA 復合材料在65～75℃是導熱率在1.84～2.23W/(m·K)之間變化，比純硬脂酸高5倍左右，比添加20%EG的110倍低[11]，同樣是因為EG 量不同而帶來的差異；導熱率最大的是55℃下的EG/PW 復合材料，導熱率最小的是60℃下的EG/PA 復合材料；溫度為65℃時，導熱率從小到大的順序依次為EG/PA、EG/SA和EG/PW。

圖4 復合相變材料質量隨充-放熱循環次數變化情況

2.6 復合相變材料導電性能分析

采用粉末半導體電阻率測試儀對3種復合材料電阻率隨壓強變化情況進行測試，測試結果如圖5所示。從圖5可以看出隨著壓強的增加電阻率先快速減小，再慢慢趨于穩定，與文獻[14]中的體積電阻率變化規律一致；EG/PW、EG/PA和EG/SA復合材料的電阻率分別小于0.7Ω·cm、0.6Ω·cm 和0.12Ω·cm，電阻率均小于1Ω·cm，說明3 種復合材料都具有良好的導電性能；當壓強在2～8MPa之間變化時，復合材料的電阻率波動較小。

表4 不同復合相變材料熱循環質量損失

表5 不同復合相變材料在不同溫度下的導熱率

圖5 復合相變材料的電阻率隨壓強變化情況

在2MPa和8MPa條件下，3種復合材料的電阻率平均值見表6。從表中可看出，在特定條件下EG/PW、EG/PA和EG/SA復合材料的平均電阻率依次減小；電阻率最大是2MPa 時EG/PW 復合材料，最小的是8MPa 時EG/SA 復合材料，兩者相差86.7%；壓強從2MPa 增加到8MPa 時材料的平均電阻率迅速減小，分別減小38.7%、60.3% 和51.2%。

表6 復合相變材料在特定壓強下的電阻率

3 結論

采用熔融共混法制備膨脹石墨/石蠟、膨脹石墨/十六酸和膨脹石墨/硬脂酸3 種復合相變材料，并對材料的熱-電性能進行分析，結論如下。

（1）實驗結果表明EG∶PW、EG∶PA和EG∶SA質量比分別為7∶93、9∶91 和11∶89 時，復合相變材料充放熱不會出現泄漏，因此確定為最佳質量配比，說明EG對PW吸附能力最強。

（2）對最佳質量配比下的3 種復合相變材料充-放熱性能研究表明，復合相變材料的充-放熱時間比純有機質短，充-放熱時間縮短最大的是EG/PA復合材料，分別為622s和1327s。

（3）復合材料EG/PW、EG/PA 和EG/SA 經過60 次充-放熱循環之后質量損失率分別小于0.0180%、0.0490%和0.2100%；充熱時復合相變材料的溫度場分布比純有機質均勻，但是成型復合材料的最終溫度均比純有機質低，說明成型之后會對材料的溫度上升產生一定的抑制作用。

（4）復合材料EG/PW、EG/PA和EG/SA的熱導率分別在2.63～2.90W/(m·K)、1.44～2.48W/(m·K)和1.84～2.23W/(m·K)之間，復合相變材料的熱導率都比純有機質的熱導率大，因為添加的膨脹石墨熱導率都遠高于純有機質相變材料，所以添加膨脹石墨可以提升相變材料的導熱能力。

（5）復合相變材料電阻率測試分析顯示，材料的電阻率隨壓力增加而減小，壓力小于4MPa 時，電阻率下降速率比較快，壓力超過4MPa 后，下降速率減緩。電阻率最小的是EG/SA，電阻率最大的是EG/PW，但是均小于1Ω·cm，說明添加膨脹石墨之后不但可以抑制泄漏還可以有效改善有機質材料的導電性。