[发明专利]一种含有功能化石墨烯调控聚乙二醇的聚氨酯相变材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种一种含有功能化石墨烯调控聚乙二醇的聚氨酯相变材料及其制备方法。其中材料结构如下式：该复合相变材料具有氮系有机阻燃分子，以氧化石墨、三聚氰氯，二苯基甲烷二异氰酸酯化合物和及PEG为原料，利用聚合法制备得到一种含功能化石墨烯复合聚氨酯PEG相变材料。本发明所述相变材料使得PEG在同一骨架材料中能同时实现抗渗漏、导热率高、热稳定性优异，PEG分子量可调控的加入量可以灵活多变；制备可控相变温度及焓变的相变材料。

技术领域

本发明属于相变储能技术领域，涉及一种利用功能化石墨烯调控聚乙二醇的聚氨酯相变材料及其制备方法。

背景技术

新能源的开发为人类进步可持续发展和保护环境做出了巨大的贡献，能源是工业发展的心脏，随着工业的发展普通化石燃料日益减少。新能源开发成为各国发展的竞技缩影，目前能源开发在太阳能、核能、风能、地热能等方面进步明显，但化石燃料仍占主导地位，这导致了环境问题日益严峻。近年来我国雾霾污染严重，引发各类呼吸道疾病，甚至死亡；限制化石燃料的使用成为解决环境问题的关键。因此，开发新能源及寻求新的储能设备来解决能源危机问题与能源在时间上和空间的的不匹配问题显得越来越重要。相变储能材料能够回收工业余热、收集太阳能等，通过温差传递能量，能量使用效率高，尤其是PCM储能可以解决能量使用不匹配的供求关系，适宜的相变温度，使用安全性更高，因而相变储能材料成为新型储能材料解决能源问题的必然选择之一。研究一种高相变焓（储能密度大），相变过程体积变化小、质量小、抗渗漏、高导热，无相分离的PCM成为制备高性能相变材料的关键。

聚乙二醇（PEG）因其具有适宜的相变温度，无过冷现象，无毒无腐蚀，高潜热，相变过程中体积变化率小，以及良好的化学稳定性等优点，从而成为当前研究人员研究的热点。然而，PEG在相变过程中易流动，导热能力差以及易燃性等缺点使其在实际生产生活中难以得到应用。

目前，许多研究人员致力于PEG相变材料的研究，取得的研究成果包括：

齐国强 等采用聚乙二醇为相变工作基质，氧化石墨烯片为支持载体基质，石墨烯纳米片作为导热填料与聚乙二醇及氧化石墨烯制备共混定形相变材料，制备的聚乙二醇定形相变材料提到了其导热率和导电率，当氧化石墨烯为质量百分数的2%，石墨烯纳米片为质量百分数的4%时，制得的聚乙二醇相变材料相变焓高达纯聚乙二醇相变焓的98.2%，导热率高达1.72 W/mK，超过了纯聚乙二醇导热率的490%，电导率高达2.5 S/m，热循环测试表现出了出色的热稳定性（Qi G Q, Yang J, Bao R Y, et al. Carbon, 2015, 88:196-205）。

Kinga Pielichowska等采用本体聚合的方法改性聚乙二醇通过二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）制备复合功能化氧化石墨烯相变材料，采用1,4-丁二醇（BDO）作为链增长剂，调节MDI、BDO及氧化石墨烯的比例来制备功能化石墨烯相变材料（Pielichowska K, NowakM, Szatkowski P, et al. Applied Energy, 2016.）。FTIR-ATR分析证实聚氨酯和石墨烯之间的没有发生化学反应，实验通过热循环次数和TG测试结果表明氧化石墨烯的引入使得扩链后的聚乙二醇热稳定性和化学稳定性得到提高，热导率显著提高。但是石墨烯与有机聚氨酯聚乙二醇之间没有发生化学键结合，在相变过程中容易发生无机石墨烯与相变材料聚乙二醇的相分离现象，影响了相变材料的长期使用性能。因此通过对氧化石墨烯功能化改性通过化学键使得聚乙二醇相变材料与功能化石墨烯支撑骨架结构发生化学键合，石墨烯骨架结构引入有机阻燃分子，同时赋予了石墨烯表面功能化，达到了功能化阻燃，提高热稳定性的目的，石墨烯自身具有高的导热率，目前通过化学方法使功能化石墨烯与相变工作物质聚乙二醇聚合的报道很少。

氮系阻燃剂在燃烧过程中高温分解释放出氮气和氨气，加速聚合物表面形成碳层，从而保护了材料本身。

发明内容

本发明提供了一种含有功能化石墨烯调控聚乙二醇的聚氨酯相变材料及其制备方法。其中结构式如下：（其中G代表氧化石墨片层结构）