一种介电常数可调的柔性相变复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种介电常数可调的柔性相变复合材料及其制备方法与应用，该柔性相变复合材料包括以下组分：25～35wt％的聚乙二醇、65～75wt％的热塑性聚氨酯以及占柔性相变复合材料1～5phr的氮化硼纳米片，柔性相变复合材料的热导率高于0.7W/m

【技术实现步骤摘要】
一种介电常数可调的柔性相变复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于高导热柔性相变复合材料
，具体涉及到一种介电常数可调的柔性相变复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]对于新型电动汽车来说，电池系统占据着举足轻重的地位，其储能容量和充放电效率决定了新电动汽车的启动、加速和续航。但是，电池是一种温度依赖性器件，其最佳工作温度范围为15～40℃。当温度高于40℃，锂电池会出现电解分解和连续的副反应，锂离子相互作用可接近的阳极表面会降低，严重时甚至会引起燃烧或爆炸。
[0003]相变材料是一种可以通过相态转换吸收或释放热能以维持自身温度恒定的一种储能材料，因此可以吸收、储存电池所释放的热量，对电池进行冷却控温。但相变材料存在易泄露、导热能力差、刚性大等问题，在直接进行热管理时与电池之间的刚性接触导致有效接触面积有限，使得热管理效率低。除此以外，相变材料在相变过程中由固态转变为液态，极易流动，会对电池造成污染。
[0004]目前常采用多孔基体封装法、聚合物复合法、微胶囊法等封装技术制备定型相变材料，实现多功能的相变复合材料，解决相变材料固液相变过程中易泄露的问题，提高相变基电池热管理系统的稳定性。
[0005]采用多孔基体封装相变材料尽管可以利用多孔骨架的三维有序网络构筑导热、导电通路，但所制备的相变复合材料在通常存在很强的刚性，难以安装在受限空间中。不仅如此，该方法所制备的相变复合材料的机械性能、循环稳定性差，受外力冲击时易被破坏，难以长效使用。
[0006]相比于多孔基体封装法，将相变材料与高弹性聚合物复合制备相变复合材料可以有效解决相变材料易泄露的问题，同时可以赋予复合材料柔性，实现与电池之间的良好安装，大幅增加有效接触面积，提高热管理效率。
[0007]由于相变材料与聚合物的热导率普遍较低，为了增加相变复合材料的传热效率，通常加入膨胀石墨、石墨烯纳米片等纳米填料来提高复合材料的热导率。但碳基填料通常具有优异的电导率，使复合材料不具绝缘性，容易造成电子设备短路。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种介电常数可调的柔性相变复合材料及其制备方法与应用，可以解决相变材料易泄露、导热性能差、刚性大等问题，同时实现通过引入温度场调控复合材料的介电常数的功能。
[0009]为达上述目的，本专利技术提供了一种介电常数可调的柔性相变复合材料，包括以下组分：25～35wt％的聚乙二醇、65～75wt％的热塑性聚氨酯以及占柔性相变复合材料1～5phr的氮化硼纳米片，柔性相变复合材料的热导率高于0.7W/m
·
K，相变焓大于50kJ/kg。
[0010]本专利技术中的高弹性的热塑性聚氨酯(TPU)作为封装载体，高热焓值的聚乙二醇
(PEG)为相变储能分子，氮化硼纳米片(BNNS)作为导热增强填料。TPU因其分子链间存在许多氢键可以形成物理交联，对相变材料起到良好的封装效果，并赋予一定的柔性；温度场诱导下，PEG的相态可以在液态与固态之间变化，进而诱导复合材料的介电性能发生突变；BNNS的加入可以提高复合材料的界面极化，从而提高复合材料的介电常数。
[0011]上述TPU与PEG二者本征的介电常数低，但是复合时则表现出高介电常数，其原因是：(1)PEG破坏了TPU分子链间的氢键作用，增加了偶极极化；(2)PEG在TPU基体中以球晶的形式存在，提高了界面极化。
[0012]进一步地，柔性相变复合材料的相变温度为50～52℃，柔性相变复合材料的平均厚度为300～400μm。
[0013]本专利技术中的相变过程会引起相变材料的体积、电导率、介电常数等性能发生改变，因此本专利技术通过引入温度场来控制相变材料的相变过程就可以实现对复合材料介电常数的调控。其中具体的，在室温下，PEG的极性基团被冻结在其晶区之中，无法随交变电场发生取向。当温度升高至PEG的熔点以上时，PEG的分子链发生松弛，其极性基团可以在交变电场的作用下发生取向，提升了复合材料的偶极极化能力。与此同时，相变的PEG体积发生改变，自由体积增加，复合材料的界面极化能力得以强化，在偶极极化与界面极化同时提升的情况下复合材料的介电常数会在PEG相变阶段发生突变。
[0014]进一步地，氮化硼纳米片的平均尺寸为10～15μm。
[0015]本专利技术还提供了一种上述介电常数可调的柔性相变复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016](1)制备羟基化的氮化硼纳米片
[0017]剥离制备少层的氮化硼纳米片，并在混合溶液中湿法球磨制得羟基化的氮化硼纳米片，可以增加氢键相互作用；
[0018](2)溶液共混
[0019]将聚乙二醇与羟基化的氮化硼纳米片预共混后加入热塑性聚氨酯溶液中，分散并恒温搅拌，直至聚乙二醇与热塑性聚氨酯溶液混合完全后，再次分散；
[0020](3)成型处理
[0021]将经步骤(2)处理后的溶液置于模具中进行脱溶剂处理后，真空干燥，制得柔性相变复合材料。
[0022]进一步地，步骤(1)的混合溶液为异丙醇与去离子水按照体积比1:1的比例混合后制得。
[0023]进一步地，步骤(2)中的预共混具体包括：将羟基化的氮化硼纳米片分散熔融的聚乙二醇中，搅拌100～150min后冷却至室温。
[0024]进一步地，热塑性聚氨酯溶液通过以下方法制得：
[0025]将热塑性聚氨酯溶解于45～60℃的有机溶剂中，搅拌100～150min直至热塑性聚氨酯完全溶解，热塑性聚氨酯溶液中的热塑性聚氨酯浓度为9～12wt％。
[0026]进一步地，步骤(2)中分散的时间均为28～32min，恒温搅拌的时间为100～150min，恒温搅拌的温度为45～60℃。
[0027]进一步地，步骤(3)中脱溶剂处理的温度为35～45℃。
[0028]本专利技术还提供了上述介电常数可调的柔性相变复合材料在电池热管理系统中的
应用，具体的，将介电常数可调的柔性相变复合材料贴合于电池的表面。优选的，电池形状为圆柱形、三棱柱形。
[0029]上述方案中，介电常数可调的柔性相变复合材料本身优异的柔性可适应电池复杂的表面结构，与电池保持紧密贴合、增加有效接触面积并提高热管理效率；在低填料含量下就可实现较大的热导率提升，应用于电池热管理能有效降低电池工作过程中的温升和温差。
[0030]综上，本专利技术具有以下优点：
[0031]1、本专利技术中的BNNS增加了复合材料的界面极化，有助于提高复合材料的介电常数。与此同时，在温度场诱导下，PEG的相态可以在液态与固态之间变化，此过程中其电导率、介电常数会发生突变，进而诱导复合材料的介电性能发生突变。
[0032]2、本专利技术中通过利用PEG相变过程中电导率、介电常数、体积等性能的变化，实现了PEG作为热致介电常数开关的相变复合材料的制备。其中TPU与PEG二者本征的介电常数虽然较低，但二者相复合时则表现出高介电常数。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种介电常数可调的柔性相变复合材料，其特征在于，包括以下组分：25～35wt％的聚乙二醇、65～75wt％的热塑性聚氨酯以及占所述柔性相变复合材料1～5phr的氮化硼纳米片，所述柔性相变复合材料的热导率高于0.7W/m
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K，相变焓大于50kJ/kg。2.如权利要求1所述的介电常数可调的柔性相变复合材料，其特征在于，所述柔性相变复合材料的相变温度为50～52℃，所述柔性相变复合材料的平均厚度为300～400μm。3.如权利要求1所述的介电常数可调的柔性相变复合材料，其特征在于，所述氮化硼纳米片的平均尺寸为10～15μm。4.如权利要求1
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3任一项所述的介电常数可调的柔性相变复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备羟基化的氮化硼纳米片剥离制备少层的氮化硼纳米片，并在混合溶液中湿法球磨制得羟基化的氮化硼纳米片；(2)溶液共混将聚乙二醇与羟基化的氮化硼纳米片预共混后加入热塑性聚氨酯溶液中，分散并恒温搅拌，直至聚乙二醇与热塑性聚氨酯溶液混合完全后，再次分散；(3)成型处理将经步骤(2)处理后的溶液置于模具中进行脱溶剂处理后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，何英杰，祁晓东，杨静晖，黄婷，张楠，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：