添加提钒尾渣对膨胀石墨/石蜡复合相变材料稳定性和导电性的影响

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210089

摘要/Abstract

摘要：

以不同膨胀石墨（EG-300、EG-350和EG-400）为支撑材料，石蜡（PW）为相变主材，提钒尾渣（VT）为导电强化剂，采用熔融共混法制备复合相变材料，并对复合材料的稳定性和导电性进行测试分析。结果表明，进行60次热循环，EG/PW复合材料质量损失率小于0.03%，VT/EG/PW复合材料质量损失率小于0.08%，添加VT对材料热稳定性影响较小；直线拟合表明质量损失率与循环次数存在线性关系（R²范围在0.06143~0.85924之间）；EG/PW复合相变材料的电阻率会随成型压力增加而减小，添加微米级VT之后规律一致，仅EG-300/PW电阻率随VT添加量增加而减小，添加量应该控制在2%以内，添加VT可以增强复合材料的导电性能；压力从2 MPa变到8 MPa时，电阻率下降率在49%以下，添加VT后复合材料电阻率下降率变大，添加VT可以使复合材料电阻率的压敏性提高；指数拟合显示复合相变材料电阻率与压力之间的指数相关性较高。

关键词: 复合相变材料, 膨胀石墨, 提钒尾渣, 热稳定性, 电阻率

Abstract:

Paraffin （PW） is used as the main phase change material， different expanded graphites（EG-300， EG-350 and EG-400） are used as the framework，and vanadium tailings （VT） are used as electrical conductivity enhancing agents. All composite phase change materials （CPCM） are prepared by melt-blending method， and the thermal stability and electrical conductivity of CPCM are tested and analyzed. The results show that it is found that all the mass loss rate of VT/EG/PW material is below 0.08% after 60 energy storage/release cycles too， and the mass loss rate of EG/PW material is less than 0.03%. Addition of VT has little effect on the thermal stability of the material. Linear fitting shows a linear relationship between the mass loss rate and cycle times（R² between 0.06143 and 0.85924）. The resistivity of the EG/PW composite phase change materials decreases with increasing the pressure，and the law is consistent after adding micron-level TVs， only the resistivity of EG-300/PW decreases as the amount of VT increases. The addition amount should be controlled within 2%. Adding VT can enhance the conductive properties of the composite. When the pressure is changed from 2 MPa to 8 MPa， the resistivity decrease rate is less than 49%. The resistivity decrease rate of the composite material becomes larger， after adding VT. Adding VT can increase the pressure sensitivity of the resistivity of the composite. Exponential fitting shows high exponential correlation between the resistivity and the pressure of CPCM.

Key words: Composite phase change materials, Expanded graphite, Vanadium tailings, Thermal conductivity, Resistivities

中图分类号:

O621

徐众, 李军, 吴恩辉, 蒋燕. 添加提钒尾渣对膨胀石墨/石蜡复合相变材料稳定性和导电性的影响[J]. 应用化学, 2022, 39(3): 461-469.

Zhong XU, Jun LI, En-Hui WU, Yan JIANG. Influence of Vanadium Tailings on the Thermal Stability and Electrical Conductivity of Expanded Graphite/ Paraffin Composite Phase Change Materials[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2022, 39(3): 461-469.

图/表 6

参考文献 27

1	ZHAO Y Q， JIN L， ZOU B Y， et al. Expanded graphite-paraffin composite phase change materials： effect of particle size on the composite structure and properties［J］. Appl Therm Eng， 2020， 171（8）： 115015.
2	CAI Z D， LIU J， ZHOU Y X， et al. Flexible phase change materials with enhanced tensile strength， thermal conductivity and photo-thermal performance［J］. Sol Energy Mater Sol Cells， 2021， 219（1）： 110728.
3	赵明伟，左孝青，杨牧南，等. 泡沫铝-石蜡复合相变材料的蓄放热性能研究［J］. 功能材料与器件学报， 2012， 18（5）： 391-396.
	ZHAO M W， ZUO X Q， YANG M N， et al. Thermal storage and release properties of aluminum foam-paraffin composite phase change materials［J］. J Funct Mater Devices， 2012， 18（5）： 391-396.
4	万倩，肖浩南，钱京，等. 泡沫铁对石蜡相变储热过程的影响［J］. 储能科学与技术， 2020， 9（1）： 94-100.
	WAN Q， XIAO H N， QIAN J， et al. Influence of iron foam on paraffin phase change heat storage process［J］. Energy Storage Sci Technol， 2020， 9（1）： 94-100.
5	高丽媛，杨宾，郝梦琳，等. 碳纳米管/石蜡复合相变材料热性能的实验研究［J］. 应用化工， 2019， 48（4）： 752-754， 761.
	GAO L Y， YANG B， HAO M L， et al. Experimental study on thermal properties of carbon nanotube/paraffin composite phase change materials［J］. Appl Chem Ind， 2019， 48（4）： 752-754， 761.
6	高丽媛，杨宾，郝梦琳，等. 石蜡基纳米金属复合相变材料热性能的实验研究［J］. 河北工业大学学报， 2019， 48（1）： 51-56.
	GAO L Y， YANG B， HAO M L， et al. Experimental study on thermal properties of nanometal-paraffin composite phase change materials［J］. J Hebei Univ Technol， 2019， 48（1）： 51-56.
7	周宇飞，袁一鸣，仇中柱，等. 纳米铝和石墨烯量子点改性的相变微胶囊的制备及特性［J］. 材料导报， 2019， 33（6）： 932-935.
	ZHOU Y F， YUAN Y M， QIU Z Z， et al. Fabrication and characteristics of microencapsulated phase change materials modified by graphene quantum dots and aluminum nano powders［J］. Mater Rep， 2019， 33（6）： 932-935.
8	王大伟，余荣升，晏华，等. 碳纤维/石蜡/膨胀石墨复合相变材料的制备及强化传热研究［J］. 材料导报， 2014， 28（24）： 70-73.
	WANG D W， YU R S， YAN H， et al. Study on preparation and heat transfer enhancement of carbon fiber/paraffin/expanded graphite phase change composites［J］.Mater Rep， 2014， 28（24）： 70-73.
9	李果，欧阳婷，蒋朝，等. 碳纤维-纳米石墨片网络体导热增强石蜡相变储能复合材料的制备及表征［J］. 复合材料学报， 2020， 37（5）： 1130-1137.
	LI G，OU Y T， JIANG C， et al. Preparation and characterization of carbon fiber-graphite nanoplatelets network reinforced paraffin phase change composites［J］. Acta Mater Compositae Sin， 2020， 37（5）： 1130-1137.
10	李新芳，赵素芬，吴淑英，等. 纳米复合材料的制备及相变特性研究［J］. 化工新型材料， 2019， 47（7）： 60-63.
	LI X F， ZHAO S F， WU S Y， et al. Synthesis and phase change characteristics of nano-composite［J］. New Chem Mater， 2019， 47（7）： 60-63.
11	任学明，沈鸿烈，杨艳. 膨胀石墨/石蜡复合相变材料的碳纳米管掺杂改性研究［J］. 功能材料， 2019， 50（6）： 6008-6012.
	REN X M， SHENG H L， YANG Y. Study on the preparation and characterization of expanded graphite/paraffin composite CNTs modified PCM［J］. J Funct Mater， 2019， 50（6）： 6008-6012.
12	ZHANG Y F， LI W， HUANG J H， et al. Expanded graphite/paraffin/silicone rubber as high temperature form-stabilized phase change materials for thermal energy storage and thermal interface materials［J］. Materials， 2020， 13（4）： 894.
13	KAO H T， LI M， LV X W， et al. Preparation and thermal properties of expanded graphite/paraffin/organic montmorillonite composite phase change material［J］. J Therm Anal Calorim， 2012， 107（1）： 299-303.
14	王青青，范鹏远，陈玉明，等. 膨胀石墨/石蜡复合相变材料热-电特性实验研究［J］. 塑料工业， 2018， 46（9）： 129-133， 137.
	WANG Q Q， FAN P Y， CHEN Y M， et al. Experimental study on the thermo-physical and electrical properties of paraffin/expanded graphite composite phase change materials［J］. China Plast Ind， 2018， 46（9）： 129-133， 137.
15	YU C B， YOUN J R， SONG Y S. Encapsulated phase change material embedded by graphene powders for smart and flexible thermal response［J］. Fibers Polym， 2019， 20（3）： 545-554.
16	ZHANG J Y， LI X X， ZHANG G Q， et al. Characterization and experimental investigation of aluminum nitride-based composite phase change materials for battery thermal management［J］. Energy Convers Manage， 2020， 204（2）： 112319.
17	HUANG J H， ZHANG B N， HE M， et al. Preparation of anisotropic reduced graphene oxide/BN/paraffin composite phase change materials and investigation of their thermal properties［J］. J Mater Sci， 2020， 55（17）： 7337-7350.
18	颜品萍，罗富彬，黄宝铨，等. 导热增强聚乙二醇相变复合材料的制备及其性能［J］. 应用化学， 2020， 37（1）： 46-53.
	YAN P P， LUO F B， HUANG B Q， et al. Properties of thermal conductivity enhanced polyethylene glycol-based phase change composites［J］. Chinese J Appl Chem， 2020， 37（1）： 46-53.
19	李春蕾，高凯，赵磊，等. 蒸镀法制备导电聚吡咯相变复合材料［J］. 天津工业大学学报， 2013， 32（3）： 19-23.
	LI C L， GAO K， ZHAO L， et al. Fabrication of conductive polypyrrole coated phase change composites using evaporate plating method［J］. J Tiangong Univ， 2013， 32（3）： 19-23.
20	任苗. 导电相变储热混凝土的制备及性能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2018.
	REN M. Preparation and performance research of electrical conductive concrete incorporating phase change thermal storage［D］. Harbin：Harbin Institute of Technology， 2018.
21	何丽红，杨帆，佟禹，等. 石蜡/膨胀石墨复合相变材料在冷拌沥青混合料中的应用［J］. 公路， 2016， 61（8）： 181-185.
	HE L H， YANG F， TONG Y， et al. Application of phase change fine aggregate in cold mix asphalt mixture［J］. Highway， 2016， 61（8）： 181-185.
22	高学农，李得伦，孙滔，等.石蜡/膨胀石墨复合相变材料控温电子散热器的性能［J］. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2012， 40（1）： 7-12.
	GAO X N， LI D L， SUN T， et al. Performance of temperature controlled electronic heat sink with composite paraffin/expanded graphite phase change material［J］. J South China Univ Technol Nat Sci， 2012， 40（1）： 7-12
23	徐众，万书权，邓建梅，等. 石蜡/不同粒径膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究［J］.化工新型材料， 2017， 45（5）： 57-60.
	XU Z， WAN S Q， DENG J M， et al. Preparation and performance study on phase change material composite of paraffin/different particle sized expanded graphite［J］. New Chem Mater， 2017， 45（5）： 57-60.
24	徐众，侯静，李军，等. 提钒尾渣对膨胀石墨/石蜡复合相变材料导热性能的影响［J］. 化工新型材料， 2021， 49（5）： 115-119.
	XU Z， HOU J， LI J， et al. Influence of vanadium tailing on the thermal conductivity performance of EG/PW phase change composite material［J］. New Chem Mater， 2021， 49（5）： 115-119.
25	徐众，万书权，韩洪波，等. 天然鳞片石墨制备可膨胀石墨的工艺研究［J］. 无机盐工业， 2016， 48（5）： 30-34.
	XU Z， WAN S Q， HAN H B， et al. Study on preparation of expandable graphite from natural flake graphite［J］. Inorg Chem Ind， 2016， 48（5）： 30-34.
26	徐众，黄平，吴恩辉，等. 膨胀石墨/石蜡复合相变材料的电阻率分析［J］. 储能科学与技术， 2019， 8（2）： 371-378.
	XU Z， HUANG P， WU E H， et al. Analysis of electrical resistivity of expanded graphite/paraffin composite phase change material［J］. Energy Storage Sci Technol， 2019， 8（02）： 371-378.
27	华建社，张娇，张焱，等. 膨胀石墨/石蜡复合相变蓄热材料的热性能及定形性研究［J］. 材料导报， 2016， 30（12）： 61-64， 75.
	HUA J H， ZHANG J， ZHSANG Y， et al. Study on thermal properties and shape-stabilizing of expanded graphite/paraffin composite phase change material［J］. Mater Rep， 2016， 30（12）： 61-64， 75.

材料 Material	指数拟合方程 Exponential fitting equation	决定系数 R²
A6	y=0.02655+0.06506×exp（-x/2.12372）	0.995 00
B4	y=0.02461+0.05645×exp（-x/2.24935）	0.991 06
C6	y=0.08794+0.70602×exp（-x/0.78776）	0.992 20
D1	y=0.02169+0.08178×exp（-x/1.74085）	0.990 50
D2	y=0.02015+0.06898×exp（-x/1.62108）	0.991 31
D3	y=0.02235+0.04905×exp（-x/1.99365）	0.994 59
E1	y=0.05462+0.23657×exp（-x/1.16651）	0.968 61
E2	y=0.06411+0.19818×exp（-x/1.38570）	0.976 41
E3	y=0.12469+0.47488×exp（-x/1.55865）	0.995 75
F1	y=0.02835+0.08304×exp（-x/1.63653）	0.995 13
F2	y=0.15934+0.56590×exp（-x/1.39634）	0.995 23
F3	y=0.23468+0.66248×exp（-x/1.73287）	0.988 31

材料 Material	指数拟合方程 Exponential fitting equation	决定系数 R²
A6	y=0.02655+0.06506×exp（-x/2.12372）	0.995 00
B4	y=0.02461+0.05645×exp（-x/2.24935）	0.991 06
C6	y=0.08794+0.70602×exp（-x/0.78776）	0.992 20
D1	y=0.02169+0.08178×exp（-x/1.74085）	0.990 50
D2	y=0.02015+0.06898×exp（-x/1.62108）	0.991 31
D3	y=0.02235+0.04905×exp（-x/1.99365）	0.994 59
E1	y=0.05462+0.23657×exp（-x/1.16651）	0.968 61
E2	y=0.06411+0.19818×exp（-x/1.38570）	0.976 41
E3	y=0.12469+0.47488×exp（-x/1.55865）	0.995 75
F1	y=0.02835+0.08304×exp（-x/1.63653）	0.995 13
F2	y=0.15934+0.56590×exp（-x/1.39634）	0.995 23
F3	y=0.23468+0.66248×exp（-x/1.73287）	0.988 31

	压力 Pressure/MPa	数值 Value	A6	B4	C6	D1	D2	D3	E1	E2	E3	F1	F2	F3
电阻率 Resistivity/ （Ω·cm）	2	实验值 Experimental	0.054 0	0.045 9	0.140 7	0.045 7	0.039 1	0.038 8	0.095 8	0.114 9	0.256 1	0.050 1	0.272 0	0.516 5
	2	拟合值 fitting	0.051 9	0.047 8	0.143 7	0.047 6	0.040 2	0.040 3	0.097 2	0.110 9	0.256 3	0.052 8	0.294 5	0.443 6
	4	实验值 Experimental	0.036 4	0.032 5	0.106 9	0.031 2	0.027 6	0.028 1	0.069 7	0.082 3	0.159 6	0.036 4	0.180 3	0.339 9
	4	拟合值 fitting	0.036 4	0.034 1	0.092 3	0.029 9	0.026 0	0.028 9	0.062 3	0.075 2	0.161 2	0.035 6	0.191 6	0.300 5
	6	实验值 Experimental	0.030 9	0.028 8	0.096 7	0.026 3	0.023 4	0.024 5	0.059 1	0.070 8	0.135 8	0.032 1	0.149 8	0.297 8
	6	拟合值 fitting	0.030 4	0.028 5	0.088 3	0.024 3	0.021 9	0.024 8	0.056 0	0.066 7	0.134 8	0.030 5	0.167 0	0.255 5
	8	实验值 Experimental	0.028 5	0.027 4	0.093 0	0.023 9	0.021 4	0.022 9	0.056 6	0.065 6	0.135 4	0.029 8	0.141 2	0.280 0
	8	拟合值 fitting	0.028 1	0.026 2	0.088 0	0.022 5	0.020 6	0.023 2	0.054 9	0.064 7	0.127 5	0.029 0	0.1612	0.241 2
下降率 Rate of decline/%		实验值 Experimental	47.2	40.3	33.9	47.7	45.3	41.0	40.9	42.9	47.1	40.5	48.1	45.8
下降率 Rate of decline/%		拟合值 fitting	46.0	45.2	38.8	52.7	48.7	42.4	43.6	41.6	50.3	45.1	45.3	45.6

	压力 Pressure/MPa	数值 Value	A6	B4	C6	D1	D2	D3	E1	E2	E3	F1	F2	F3
电阻率 Resistivity/ （Ω·cm）	2	实验值 Experimental	0.054 0	0.045 9	0.140 7	0.045 7	0.039 1	0.038 8	0.095 8	0.114 9	0.256 1	0.050 1	0.272 0	0.516 5
	2	拟合值 fitting	0.051 9	0.047 8	0.143 7	0.047 6	0.040 2	0.040 3	0.097 2	0.110 9	0.256 3	0.052 8	0.294 5	0.443 6
	4	实验值 Experimental	0.036 4	0.032 5	0.106 9	0.031 2	0.027 6	0.028 1	0.069 7	0.082 3	0.159 6	0.036 4	0.180 3	0.339 9
	4	拟合值 fitting	0.036 4	0.034 1	0.092 3	0.029 9	0.026 0	0.028 9	0.062 3	0.075 2	0.161 2	0.035 6	0.191 6	0.300 5
	6	实验值 Experimental	0.030 9	0.028 8	0.096 7	0.026 3	0.023 4	0.024 5	0.059 1	0.070 8	0.135 8	0.032 1	0.149 8	0.297 8
	6	拟合值 fitting	0.030 4	0.028 5	0.088 3	0.024 3	0.021 9	0.024 8	0.056 0	0.066 7	0.134 8	0.030 5	0.167 0	0.255 5
	8	实验值 Experimental	0.028 5	0.027 4	0.093 0	0.023 9	0.021 4	0.022 9	0.056 6	0.065 6	0.135 4	0.029 8	0.141 2	0.280 0
	8	拟合值 fitting	0.028 1	0.026 2	0.088 0	0.022 5	0.020 6	0.023 2	0.054 9	0.064 7	0.127 5	0.029 0	0.1612	0.241 2
下降率 Rate of decline/%		实验值 Experimental	47.2	40.3	33.9	47.7	45.3	41.0	40.9	42.9	47.1	40.5	48.1	45.8
下降率 Rate of decline/%		拟合值 fitting	46.0	45.2	38.8	52.7	48.7	42.4	43.6	41.6	50.3	45.1	45.3	45.6

[1]	杜新伟, 赵文杰, 呼微, 孙昭艳, 刘万利, 任天磊, 付明星. 聚醚醚酮/碳纳米管改性聚丙烯Janus复合隔膜的制备及性能[J]. 应用化学, 2022, 39(12): 1862-1869.
[2]	王誉程, 祁影霞, 陆熠璇, 芦洋. 石蜡/十八酸/十八醇复合材料的制备及蓄/放热性能[J]. 应用化学, 2021, 38(8): 969-975.
[3]	王森, 庞然, 李达, 李成宇, 张洪杰. 单一基质白光荧光粉Na₃Sc₂(PO₄)₃∶Tm³⁺,Dy³⁺的合成及发光性质[J]. 应用化学, 2021, 38(11): 0-0.
[4]	王森, 庞然, 李达, 李成宇, 张洪杰. 单一基质白光荧光粉Na₃Sc₂(PO₄)₃∶Tm³⁺,Dy³⁺的合成及发光性质[J]. 应用化学, 2021, 38(11): 1469-1478.
[5]	曹友錋, 庞烜, 项盛, 王天昶, 冯立栋, 边新超, 李杲, 陈学思. 溶剂诱导的聚乳酸/聚乳酸衍生物共结晶行为[J]. 应用化学, 2021, 38(1): 60-68.
[6]	文璞山, 何瑞, 赵光练, 梁兴, 李明勳. 可溶性聚酰亚胺液晶取向膜的制备与性能[J]. 应用化学, 2020, 37(12): 0-0.
[7]	文璞山, 何瑞, 赵光练, 梁兴, 李明勳. 可溶性聚酰亚胺液晶取向膜的制备与性能[J]. 应用化学, 2020, 37(12): 1403-1410.
[8]	陈明锋, 刘玉惠, 范先谋, 杨松伟, 林金火, 刘灿培, 黄海滨. 不饱和聚酯片状模塑料的模压成型与性能[J]. 应用化学, 2018, 35(10): 1222-1226.
[9]	毛新洁, 刘向荣, 赵顺省, 杨再文, 闫森. 2-吡咯类酰腙的合成、晶体结构及与小牛胸腺DNA的相互作用[J]. 应用化学, 2016, 33(8): 923-931.
[10]	李自东,赵晓礼,杨小牛. 聚合物太阳能电池器件热稳定性的研究进展[J]. 应用化学, 2016, 33(1): 1-17.
[11]	魏赞斌,王金池,江霞,李颖茜,陈广慧,解庆范. 2,4-二羟基苯乙酮缩异烟酰腙的实验和DFT理论研究:合成、晶体结构和性质及量化计算[J]. 应用化学, 2015, 32(9): 1014-1021.
[12]	丁伟, 宋成龙, 李博洋. 壬基酚甜菜碱两性表面活性剂的合成和抗温耐盐性能[J]. 应用化学, 2015, 32(8): 922-930.
[13]	郑建华, 刘俊, 肖尧, 戴玲林, 李海洋, 谭宇星, 冯泳兰, 蒋伍玖, 庾江喜, 邝代治. 基于水杨酰腙配体的二丁基锡配合物的合成、晶体结构、热稳定性及与DNA相互作用[J]. 应用化学, 2015, 32(5): 562-569.
[14]	陶贤平, 张跃军, 李侠, 贾旭. 二烯丙基甲基烷基溴化铵的结构与性质的关系[J]. 应用化学, 2015, 32(3): 342-349.
[15]	李兵营, 闫杰, 倪珏宸, 冯小庚, 邢永恒. 过碳酰胺分子合成条件优化、晶体结构及其热稳定性[J]. 应用化学, 2015, 32(12): 1423-1430.