一种改性凹凸棒石及改性凹凸棒石基复合相变材料的制备方法

技术领域

本发明涉及改性材料技术领域，特别是涉及一种改性凹凸棒石及改性凹凸棒石基复合相变材料的制备方法。

背景技术

有机相变材料可以通过熔化-凝固这一可逆相变过程来调节外界的温度，从而实现节能减排的目的。有机相变材料具有相变潜热较高、热稳定性好的特点，可用在太阳能利用、工业余热回收及电子器件控温等领域。但有机相变材料存在泄露问题，从而导致相变材料流动造成损失，造成储热性能衰退的情况。因此，通常会将有机相变材料进行封装处理，制备成复合相变材料以克服有机相变材料易泄漏的问题。

作为一种天然的一维纳米材料，凹凸棒石是一种呈链层状的硅酸盐黏土矿物，其比表面积较大、孔结构丰富，微观形貌呈纳米棒状/纤维状。凹凸棒石在全球分布广泛，储量巨大，天然无污染，是作为相变材料载体的理想选择。凹凸棒石原矿对有机相变材料的负载量很低，其原因在于凹凸棒石纤维交错孔结构被有机物、碳酸盐等杂质堵塞。凹凸棒石在相变前后不发生变化，比热容小，几乎没有热量的传递，而相变材料在相变前后吸收或释放大量热量，因此，凹凸棒石基复合相变材料中的相变材料比重越高，其潜热越高，储热性能越好。同时对凹凸棒石进行预处理，去除孔隙中的杂质是提升凹凸棒石对相变材料的吸附能力、提高凹凸棒石基复合相变材料储能密度的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种改性凹凸棒石及改性凹凸棒石基复合相变材料的制备方法，采用碱活化改性、煅烧及酸活化改性的工艺对凹凸棒石进行改性，从而提高凹凸棒石的比表面积和孔容，提高其对有机相变材料的负载能力，再以改性凹凸棒石为载体，以有机相变材料为吸附对象制备凹凸棒石基复合相变材料，最终提高复合材料的储能密度。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种改性凹凸棒石的制备方法，包括如下步骤：

(1)碱活化改性：将凹凸棒石原矿与碱液反应进行碱活化改性，得到碱改性凹凸棒石；

(2)煅烧：将碱改性凹凸棒石进行煅烧处理；

(3)酸活化改性：将煅烧后的凹凸棒石与酸液反应进行酸活化改性，改性后即得所述改性凹凸棒石。

作为上述方案的进一步改进，所述碱液包括氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的一种或多种，碱液的质量浓度为5～10％，碱液的用量为凹凸棒石原矿质量的3～10倍，碱活化改性时，活化温度为40～80℃，活化时间为1～4h。

作为上述方案的进一步改进，所述煅烧处理的温度为100～300℃，煅烧时间为1～24h。

作为上述方案的进一步改进，所述酸液包括硫酸、盐酸和硝酸中的一种或多种，酸液的质量浓度为5～30％，酸液的用量为煅烧后的凹凸棒石质量的3～10倍，酸活化改性时，活化温度为40～80℃，活化时间为1～4h。

本发明第二方面在于提供一种改性凹凸棒石，所述改性凹凸棒石用于作为凹凸棒石基复合相变材料的载体，由如上所述的改性凹凸棒石制备方法制备得到。

本发明第三方面在于提供一种改性凹凸棒石基复合相变材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)碱活化改性：将凹凸棒石原矿与碱液反应进行碱活化改性，得到碱改性凹凸棒石；

(2)煅烧：将碱改性凹凸棒石进行煅烧处理；

(3)酸活化改性：将煅烧后的凹凸棒石与酸液反应进行酸活化改性，改性后得到改性凹凸棒石；

(4)吸附：以改性凹凸棒石作为载体吸附相变材料，得到改性凹凸棒石复合相变材料。

作为上述方案的进一步改进，所述碱液包括氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的一种，碱液的质量浓度为5～10％，碱液的用量为凹凸棒石原矿质量的3～10倍，碱活化改性时，活化温度为40～80℃，活化时间为1～4h。

作为上述方案的进一步改进，所述煅烧处理的温度为100～300℃，煅烧时间为1～24h。

作为上述方案的进一步改进，所述酸液包括硫酸、盐酸和硝酸中的一种或多种，酸液的质量浓度为5～30％，酸液的用量为煅烧后的凹凸棒石质量的3～10倍，酸活化改性时，活化温度为40～80℃，活化时间为1～4h。

作为上述方案的进一步改进，所述相变材料包括石蜡、硬脂酸、聚乙二醇中的一种或多种。

作为上述方案的进一步改进，以改性凹凸棒石作为载体吸附相变材料时，可采用浸渍法或真空浸渍法。

作为上述方案的进一步改进，所述浸渍法具体包括：将改性凹凸棒石作为载体浸泡在相变材料的可溶性溶液中，接触一定的时间后分离残液，即得到所述改性凹凸棒石基复合相变材料。

作为上述方案的进一步改进，所述真空浸渍法与浸渍法步骤相同，不同之处在于采用真空方法抽除基材内部孔隙中的空气后再进行浸渍处理，使浸渍剂快速渗入孔隙内且完全填满。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用碱活化改性、煅烧、酸活化改性工艺对凹凸棒石进行处理，能够明显提高凹凸棒石对相变材料的吸附容量，从而得到成本低、潜热较高、性能优异的改性凹凸棒石基复合相变材料。

总而言之，为提高凹凸棒石的比表面积和孔容，提高其对有机相变材料的负载能力，本发明按工艺顺序采用碱活化改性、煅烧、酸活化改性的结合工艺对凹凸棒石进行改性，其中碱活化改性能够使凹凸棒石的孔道发生变化，比表面积小范围增加，同时本发明碱活化处理能够溶解凹凸棒石末端的S i-O四面体，从而够形成无定形态的MgO和FeOx的聚集；煅烧的目的主要是除去凹凸棒石晶体结构中的吸附水和结合水；酸活化改性的目的在于溶解凹凸棒石纤维交错孔结构的有机物和碳酸盐等杂质，起到疏通孔道的作用；最后以改性凹凸棒石为载体，以有机相变材料为吸附对象制备得到具有优异性能的改性凹凸棒石基复合相变材料。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取500g凹凸棒石原矿，加入5000g浓度为5％的氢氧化钠溶液，混合均匀，在50℃下反应4h，得到碱改性凹凸棒石；

(2)将碱改性凹凸棒石经过滤、洗涤至中性、烘干、粉碎后，于300℃中煅烧1h；

(3)取200g煅烧后的凹凸棒石粉末，加入2000g浓度为5％的硫酸溶液，混合均匀，在80℃下反应1h，反应完毕后将凹凸棒石粉末过滤、洗涤至中性，之后在105℃下烘干至恒重，再粉碎至粒径过200目筛，即得改性凹凸棒石；

(4)取100g改性凹凸棒石，加入100g石蜡，在60℃下搅拌24h，之后于60℃抽滤除去多余的石蜡，得到改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料。

本实施例所制得的改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的相变潜热为96.1J/g。

实施例2：

一种改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取300g凹凸棒石原矿，加入900g浓度为10％的氢氧化钾溶液，混合均匀，在40℃下反应2h，得到碱改性凹凸棒石；

(2)将碱改性凹凸棒石经过滤、洗涤至中性、烘干、粉碎后，于100℃中煅烧24h；

(3)取150g煅烧后的凹凸棒石粉末，加入450g浓度为30％的盐酸溶液，混合均匀，在40℃下反应4h，反应完毕后将凹凸棒石粉末过滤、洗涤至中性，之后在105℃下烘干至恒重，再粉碎至粒径过200目筛，即得改性凹凸棒石；

(4)取100g改性凹凸棒石，加入150g硬脂酸，在80℃下搅拌24h，之后于80℃抽滤除去多余的硬脂酸，得到改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料。

本实施例所制得的改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的相变潜热为76.1J/g。

实施例3：

一种改性凹凸棒石基复合聚乙二醇相变材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取400g凹凸棒石原矿，加入400g浓度为5％的氢氧化钠溶液和1200g浓度为10％的氢氧化钾溶液，搅拌混合均匀，在60℃下反应3h，得到碱改性凹凸棒石；

(2)将碱改性凹凸棒石经过滤、洗涤至中性、烘干、粉碎后，于200℃中煅烧3h；

(3)取200g煅烧后的凹凸棒石粉末，加入400g浓度为10％的硫酸溶液和400g浓度为10％的硝酸溶液，搅拌混合均匀，在60℃下反应3h，反应完毕后将凹凸棒石粉末过滤、洗涤至中性，之后在105℃下烘干至恒重，再粉碎至粒径过200目筛，即得改性凹凸棒石；

(4)取100g改性凹凸棒石，加入120g聚乙二醇，在80℃下搅拌24h，之后于80℃抽滤除去多余的聚乙二醇，得到改性凹凸棒石基复合聚乙二醇相变材料。

本实施例所制得的改性凹凸棒石基复合聚乙二醇相变材料的相变潜热为86.4J/g。

实施例4：

一种改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取500g凹凸棒石原矿，加入2500g浓度为10％的氢氧化钠溶液，混合均匀，在80℃下反应4h，得到碱改性凹凸棒石；

(2)将碱改性凹凸棒石经过滤、洗涤至中性、烘干、粉碎后，于300℃中煅烧4h；

(3)取200g煅烧后的凹凸棒石粉末，加入1000g浓度为5％的硫酸溶液，混合均匀，在80℃下反应3h，反应完毕后将凹凸棒石粉末过滤、洗涤至中性，之后在105℃下烘干至恒重，再粉碎至粒径过200目筛，即得改性凹凸棒石；

(4)取100g改性凹凸棒石，加入120g石蜡，在60℃下搅拌24h，然后移入真空干燥箱内，于60℃下抽真空后静置12h，之后抽滤除去多余的石蜡，得到改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料。

本实施例所制得的改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的相变潜热为101.1J/g。

对比例1：

一种改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的制备方法，步骤及各步骤的工艺参数与实施例1相同，不同之处在于：省略步骤(1),直接将凹凸棒石原矿煅烧后进行酸活化处理。

对比例1所制得的改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的相变潜热为74.78J/g。

对比例2：

一种改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的制备方法，步骤及各步骤的工艺参数与实施例1相同，不同之处在于：省略步骤(2),将碱活化改性后的凹凸棒石不经煅烧直接酸活化处理改性。

对比例2所制得的改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的相变潜热为82.32J/g。

对比例3：

一种改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的制备方法，步骤及各步骤的工艺参数与实施例1相同，不同之处在于：省略步骤(3)，将碱活化改性后的凹凸棒石进行煅烧，煅烧后不经酸活化改性直接制备复合相变材料。

对比例3所制得的改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的相变潜热为76.44J/g。

对比例4：

一种改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的制备方法，步骤及各步骤的工艺参数与实施例1相同，不同之处在于：将步骤(1)与步骤(3)的顺序置换，即先将凹凸棒石原矿进行酸活化改性，煅烧后再进行碱活化改性。

对比例4所制得的改性凹凸棒石基复合石蜡相变材料的相变潜热为70.56J/g。

对比例5：

一种改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料的制备方法，步骤及各步骤的工艺参数与实施例2相同，不同之处在于：省略步骤(1),直接将凹凸棒石原矿煅烧后进行酸活化处理。

对比例5所制得的改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料的相变潜热为71.2J/g。

对比例6：

一种改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料的制备方法，步骤及各步骤的工艺参数与实施例2相同，不同之处在于：省略步骤(2),将碱活化改性后的凹凸棒石不经煅烧直接酸活化处理改性。

对比例6所制得的改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料的相变潜热为73.2J/g。

对比例7：

一种改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料的制备方法，步骤及各步骤的工艺参数与实施例2相同，不同之处在于：省略步骤(3)，将碱活化改性后的凹凸棒石进行煅烧，煅烧后不经酸活化改性直接制备复合相变材料。

对比例7所制得的改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料的相变潜热为68.7J/g。

对比例8：

一种改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料的制备方法，步骤及各步骤的工艺参数与实施例2相同，不同之处在于：将步骤(1)与步骤(3)的顺序置换，即先将凹凸棒石原矿进行酸活化改性，煅烧后再进行碱活化改性。

对比例8所制得的改性凹凸棒石基复合硬脂酸相变材料的相变潜热为69.8J/g。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。