[发明专利]一种石墨烯-二氧化硅复合壁材相变纳米胶囊及制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯‑二氧化硅复合壁材相变纳米胶囊及其制备方法，该相变纳米胶囊芯材为石蜡类相变材料，壁材为石墨烯‑二氧化硅复合材料，胶囊粒径在纳米量级，制备方法为将相变材料与烷氧基硅烷类化合物混合形成油相，加入阳离子型表面活性剂和水/乙醇混合溶剂，经高速剪切和超声细化，形成水包油型细乳液。在阴离子型表面活性剂辅助下将石墨烯分散于去离子水形成稳定的石墨烯分散液。将石墨烯分散液滴加至细乳液中，依次加入乙醇和碱性催化剂，加热反应，经过滤、洗涤和干燥得到黑色粉末产物。本发明中相变纳米胶囊壁材为石墨烯‑二氧化硅复合材料，可消除相变纳米胶囊的过冷现象，同时能提高相变纳米胶囊的导热系数和热稳定性。

技术领域

本发明涉及相变储能材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-二氧化硅复合壁材相变纳米胶囊及制备方法。

背景技术

相变材料在物质的相态变化过程中可实现对热能的存储和释放，具有储能密度大、储/放热过程中温度恒定的优势，是一种重要的热能存储材料和温控材料，广泛应用于节能建筑、光-电-热转换、太阳能储存、工业制冷、潜热功能流体和智能服装等许多领域。

常见的相变材料均通过固-液相变进行热能的储存和释放，但是其存在熔融泄漏、导热系数低、易燃等问题。采用微胶囊技术将相变材料胶囊化是解决这些问题的有效途径之一。胶囊化相变材料一般具有核-壳结构，核(也成为芯材)为相变材料，壳(也称为壁材)是固体材料。传统的壁材一般为有机材料，但其存在导热系数低、力学强度不足和易燃等问题。而无机壁材具有较高的导热系数、不燃、和较好的热稳定性。在无机壁材中，以SiO₂类壁材最为常见，因为其无毒、原料廉价，并具有良好的表面性质。

根据粒径可以将胶囊化相变材料分为：相变大胶囊(粒径1mm)、相变微胶囊(粒径1～1000μm)和相变纳米胶囊(粒径1μm)。与微胶囊相比，纳米胶囊比表面更大，有利于加快热能的存储和释放，且应用在潜热功能流体时，不易破碎。中国专利CN10452946A公开了采用复合乳化剂、酸催化以及多步反应，制备一种SiO₂壁材包覆石蜡的纳米胶囊。

与微胶囊相比，由于小尺寸效应和隔离效应，纳米胶囊往往存在较为明显的过冷现象，且过冷程度会随着胶囊粒径的减小而更加显著，这对其实际应用是不利的。过冷现象是指相变材料熔点与结晶点之间的温差，过冷现象越严重，相变温度范围就越宽，造成储热和控温性能的下降。目前，抑制相变微/纳米胶囊过冷的有效措施主要包括加入成核剂和改变壁材组成。但是，加入成核剂会导致包覆率、相变焓的降低，并影响胶囊形貌。

另一方面，如何进一步提高胶囊壁材的导热系数，也受到研究者越来越多的重视。为此，许多高导热填料，如金属和各种碳材料(碳纳米管、氧化石墨烯、石墨烯等)被引入到胶囊壁材当中。中国专利CN104357019A在相变微胶囊中引入碳粉、铝粉、碳纤维等导热填料，用以提高其导热性能和抑制过冷。但不足之处在于，随着导热填料添加量的增加会导致相变焓明显下降，胶囊发生团聚，用量过多时则不能形成微胶囊。中国专利CN106957635A采用纳米铜和石墨烯纳米片提高相变微胶囊的导热性能，并抑制过冷行为，但高密度的铜纳米颗粒会导致相变焓的明显降低。

综上所述，目前尚无通过在相变纳米胶囊壁材当中引入高导热纳米填料的方法，来抑制相变纳米胶囊的过冷行为并提高其导热系数的报道。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种石墨烯-二氧化硅复合壁材相变纳米胶囊及制备方法，将将高导热的石墨烯-SiO₂复合材料作为胶囊壁材，抑制相变纳米胶囊的过冷行为，提高其导热性能。本发明中石墨烯-SiO₂复合壁材相变纳米胶囊的制备采用一锅法，所有反应过程均在同一个反应容器中完成，制备方法简便易行、反应条件温和、易于放大，所得胶囊产物形貌好、不团聚。