新型石蠟基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

關(guān) 磊，白玄玄，范文婷，王 瑩

（1.遼寧石油化工大學(xué)，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，遼寧 撫順113001；2.遼寧石油化工大學(xué)，化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 撫順113001）

新型石蠟基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

關(guān) 磊1，白玄玄1，范文婷1，王 瑩2

（1.遼寧石油化工大學(xué)，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，遼寧 撫順113001；2.遼寧石油化工大學(xué)，化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 撫順113001）

石蠟基復(fù)合材料具有不同的組成和結(jié)構(gòu)，包括氧化物/石蠟、單質(zhì)/石蠟、聚合物/石蠟等二元復(fù)合材料以及石蠟基三元復(fù)合材料。它們具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域里顯示出廣闊的應(yīng)用前景，如潤(rùn)滑與摩擦學(xué)、儲(chǔ)能材料和傳感器等領(lǐng)域。制備具有新穎組成和結(jié)構(gòu)的石蠟基復(fù)合材料及其應(yīng)用研究已經(jīng)成為復(fù)合材料領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)之一。綜述了新型石蠟基復(fù)合材料的組成、制備以及應(yīng)用的研究進(jìn)展，探討了該研究領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題以及今后可能的發(fā)展前景。

石蠟；復(fù)合材料；相變；新型；儲(chǔ)能

前言

人類發(fā)展到今天，已經(jīng)使用、制備了多種多樣的材料。但是，單一組成的材料的性質(zhì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今人們進(jìn)一步發(fā)展的需求，因此將多種材料用一定的方法組合在一起，獲得一種性能優(yōu)于各個(gè)組成材料的復(fù)合材料，是材料研究和發(fā)展的必然趨勢(shì)。伴隨著復(fù)合材料的大量使用，新型復(fù)合材料博采眾長(zhǎng)，在高技術(shù)領(lǐng)域和民用工業(yè)中都獲得了應(yīng)用。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異性的材料復(fù)合而形成的新型材料。它既能保留原組成材料的主要特色，又能通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。各種組成材料的性能相互補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能。石蠟基復(fù)合材料是材料領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料之一。石蠟基復(fù)合材料是以石蠟為基體，在其中添加聚合物或其它材料而形成的復(fù)合材料。在制備以及應(yīng)用研究中，石蠟基復(fù)合材料可以分為，單質(zhì)/石蠟[1]、氧化物/石蠟[2]和聚合物/石蠟[3]等二元復(fù)合材料以及石蠟基三元復(fù)合材料[4]等。石蠟基復(fù)合材料的應(yīng)用前景比較廣泛，比如儲(chǔ)能材料、傳感器、潤(rùn)滑與摩擦等領(lǐng)域。

1 石 蠟

石蠟價(jià)格便宜且來(lái)源廣泛，主要是直鏈烷烴（十四烷～三十烷）的混合物[5]。石蠟在生產(chǎn)的過(guò)程中不可避免的會(huì)摻雜少量的雜質(zhì)。一般采用的工業(yè)級(jí)石蠟含有雜質(zhì)，其作為石蠟復(fù)合材料的基體，對(duì)于復(fù)合材料的穩(wěn)定性、顏色和物理性質(zhì)有一定的影響，使得其在實(shí)際應(yīng)用方面存在一定的局限性。高純度石蠟的價(jià)格昂貴，限制了復(fù)合材料性質(zhì)的研究進(jìn)展。

2 石蠟基復(fù)合材料的制備

2.1 氧化物/石蠟二元復(fù)合材料

王繼芬等人[2]采用攪拌和超聲震蕩的方法將直徑為30nm的氧化鋅納米顆粒分散到石蠟中制得石蠟基復(fù)合材料。表征結(jié)果表明，氧化鋅納米顆粒在石蠟中分散良好。氧化鋅納米顆粒在復(fù)合物中的顆粒小于100nm。楊化等人[6]采用二氧化硅為增強(qiáng)體，石蠟為基體制得了石蠟基復(fù)合相變材料。表征結(jié)果表明，該復(fù)合材料具有多孔結(jié)構(gòu)，石蠟嵌合在孔道中。Ho等人[7]采用乳化的方法制得了Al2O3/石蠟二元復(fù)合材料。表征結(jié)果表明，含5%（wt）和10%（wt）Al2O3納米顆粒的復(fù)合材料的熔點(diǎn)分別為26.0℃和26.3℃，凝固點(diǎn)分別為25.0℃和25.3℃。

2.2 單質(zhì)/石蠟二元復(fù)合材料

仲亞娟等人[8]以石墨泡沫、炭氈和壓縮膨脹石墨為增強(qiáng)體制得了三種不同的石蠟相變儲(chǔ)能復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，浸蠟石墨泡沫和炭氈發(fā)生相變后沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂。而浸蠟壓縮膨脹石墨在經(jīng)過(guò)多次儲(chǔ)放熱循環(huán)后發(fā)生開(kāi)裂。Zhang等人[9]采用膨脹石墨為增強(qiáng)體，石蠟為基體制得了二元復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。表征結(jié)果表明，石蠟被吸進(jìn)膨脹石墨的層結(jié)構(gòu)中，而石墨的固有結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變。膨脹石墨作為支撐材料，防止石蠟從其孔結(jié)構(gòu)中泄漏。劉春雷等[10]在氬氣保護(hù)下，采用200目的純銅粉和生物切片，用石蠟為原料，分別以三種不同的質(zhì)量比混合在球磨機(jī)中球磨，制得銅/石蠟二元復(fù)合材料。表征結(jié)果表明，石蠟包覆銅粒子，形成核-殼結(jié)構(gòu)。球磨時(shí)間為100h時(shí)，銅粒子的直徑在70nm左右。

2.3 聚合物/石蠟二元復(fù)合材料

金和等人[11]采用EVA樹(shù)脂為支撐材料，熔融石蠟為相變材料制得了定形的相變復(fù)合材料?？疾炝薊VA樹(shù)脂的型號(hào)以及石蠟的含量與復(fù)合材料相變焓之間的關(guān)系。研究了該復(fù)合材料的微觀形貌和熱穩(wěn)定性。Sarl[12]采用高密度的聚乙烯和石蠟為原料制得了二元復(fù)合材料。表征結(jié)果表明，石蠟分散在固體高密度的聚乙烯網(wǎng)絡(luò)中。聚乙烯起到支撐的作用，防止熔化的石蠟漏出。Krupa等人[13]將低密度的聚乙烯與軟石蠟相混合制得了相變復(fù)合材料。表征結(jié)果表明，該復(fù)合材料的表面比較平滑，個(gè)別區(qū)域有輕微的突起。

2.4 石蠟基三元復(fù)合材料

曾國(guó)勛等人[14]采用溶膠-凝膠法與H2還原法制得了Al2O3為0.5～5.0%（wt）的Fe/Al2O3復(fù)合材料，然后，將該復(fù)合材料與石蠟按質(zhì)量比4∶1制得Fe/Al2O3/石蠟復(fù)合材料。Li等人[15]采用高密度的聚乙烯和木質(zhì)粉為支撐材料，石蠟為基體材料制得了三元復(fù)合相變材料。表征結(jié)果表明，該復(fù)合材料組成是一致的，大部分微膠囊顆粒并沒(méi)有損壞。

3 石蠟基復(fù)合材料的應(yīng)用

3.1 儲(chǔ)能材料

石蠟是一種化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定、價(jià)格低廉、無(wú)毒、相變溫度寬、潛熱密度大的儲(chǔ)能材料，可以根據(jù)實(shí)際的需要，添加增強(qiáng)材料進(jìn)行調(diào)節(jié)制備在太陽(yáng)能利用、建筑節(jié)能、日常生活等方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值的相變復(fù)合材料。

Li等人[16]研究了斑脫土/石蠟復(fù)合材料的熱性質(zhì)。研究結(jié)果表明，該復(fù)合材料的熔點(diǎn)和凝點(diǎn)分別為41.7℃和43.4℃，潛熱為39.84J/g。與純石蠟相比，該復(fù)合材料具有更好的熱穩(wěn)定性，在能量?jī)?chǔ)存方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。仲亞娟等人[8]分別采用石墨泡沫、炭氈和壓縮膨脹石墨作為傳熱載體，與石蠟復(fù)合制得了三種不同的碳材料/石蠟相變儲(chǔ)能復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，與純石蠟相比，三種不同的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率分別提高了437倍、14倍和25倍；三種復(fù)合材料的相變潛熱分別為42.34J/g，48.38J/g和57.82 J/g。姜傳飛等人[17]采用相變潛熱較高的石蠟作為蓄能基體，膨脹石墨為增強(qiáng)材料，利用共混吸附法制得了相變復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，具有大量微孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨與石蠟的相容性良好，使得石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)升高并且不易泄露。Wang等人[18]采用多壁碳納米管和石蠟為原料，制得了儲(chǔ)熱復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，隨著碳納米管的比例增加，與純石蠟相比，該復(fù)合材料的熔點(diǎn)有所降低，熱導(dǎo)率有所增加。當(dāng)碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時(shí)，固態(tài)和液態(tài)的熱導(dǎo)率分別增加35%和40%。

3.2 摩擦學(xué)

張玲等人[19]使用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了硫化銻納米棒及顆粒增強(qiáng)石蠟基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性質(zhì)。研究了兩者作為潤(rùn)滑劑條件下的摩擦系數(shù)、磨斑直徑、鋼球磨損表面形貌的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，在低載荷時(shí)，與硫化銻納米顆粒相比，硫化銻納米棒的減摩抗磨性更好。曹智等人[20]研究表明，添加SiO2納米顆粒的液體石蠟劑具有良好的抗磨性質(zhì)，能夠較好地提高液體石蠟的失效載荷。表面修飾的SiO2納米顆粒在摩擦過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，在其表面形成了有機(jī)分解產(chǎn)物等組分的邊界潤(rùn)滑膜，因而具有較好的抗磨性能以及較高的載荷能力。宣瑜等人[21]對(duì)比了AlOOH和Fe3O4納米粒子分別在石蠟中的摩擦學(xué)性能。對(duì)比結(jié)果表明，這兩種納米顆粒都能對(duì)石蠟的減摩耐磨性能有所提高。相對(duì)于Fe3O4納米顆粒，層狀結(jié)構(gòu)的AlOOH納米顆粒表現(xiàn)出更好的減摩耐磨性能。

3.3 其它

曾國(guó)勛等人[14]制得了Fe/Al2O3/石蠟三元復(fù)合材料?？疾炝薃l2O3對(duì)該復(fù)合材料微波吸收性能的影響。研究結(jié)果表明，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加到5.0%時(shí)，復(fù)合材料的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部由11增加到21；復(fù)磁導(dǎo)率虛部呈多模共振的曲線形式。劉春雷等[10]制得的銅/石蠟二元復(fù)合材料中，當(dāng)銅粉和石蠟以不同質(zhì)量比混合時(shí)，該復(fù)合材料在一定溫度下的膨脹效果不同。研究發(fā)現(xiàn)，銅粉和石蠟在質(zhì)量比為4∶1時(shí)其膨脹性能最佳。銅粉和石蠟的質(zhì)量比一定時(shí)，石蠟的體膨脹量隨著其熔點(diǎn)的增加而增大。

4 結(jié)論與展望

石蠟基復(fù)合材料是一類新型復(fù)合材料，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，顯示出了很好的科研價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。目前，人們已經(jīng)采用多種方法制得了不同組成和結(jié)構(gòu)的二元和三元石蠟基復(fù)合材料。但是，真正要將其得以實(shí)際應(yīng)用，仍有幾大問(wèn)題亟待解決：（1）研究者們雖然采用不同的增強(qiáng)體制得了組成新穎、結(jié)構(gòu)新穎，性質(zhì)優(yōu)異的石蠟基復(fù)合材料，但這些制備方法距離過(guò)程簡(jiǎn)單、可用于放量制備的工業(yè)化要求還有一段很大的差距；（2）如何對(duì)石蠟基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)以及增強(qiáng)體與石蠟間界面相的控制是研究者們面臨的一大難題，因?yàn)榻缑嫦嗖辉倏醋魇菑?fù)合材料的缺陷，而是把它看作是影響復(fù)合材料性能的重要因素之一；（3）對(duì)石蠟基復(fù)合材料的潛在應(yīng)用價(jià)值的研究還不夠全面，主要研究集中在相變儲(chǔ)能以及摩擦方面，其它領(lǐng)域的研究還不成熟，沒(méi)有形成體系，沒(méi)有現(xiàn)成的理論來(lái)解釋其具有優(yōu)異理化性質(zhì)的根本原因。相信經(jīng)過(guò)科研工作者大量而系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究和實(shí)驗(yàn)工作之后，在不久的將來(lái)，隨著人們對(duì)石墨烯復(fù)合材料的制備方法和應(yīng)用等問(wèn)題的不斷改善和改進(jìn)，石墨烯復(fù)合材料定能改變?nèi)祟惖膶?shí)際生活。

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Research Progress of Novel Paraffin-based Composites Materials

GUAN Lei1,BAI Xuan-xuan1,FAN Wen-ting1and WANG Ying2
（1.School of Chemistry and Materials Science,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China;2.Center of Experiment,Department of Chemistry,Chemical Engineering and Environment,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China）

The paraffin-based composite materials have different components and structures,which include oxide/paraffin,simple element/paraffin,polymer/paraffin binary composites,paraffin-based ternary composite materials.With excellent physical and chemical properties,they show broad application prospects in so many fields,such as tribology,energy storage and sensors,etc.The research on the preparation and applications of paraffin-based composite materials with novel components and structures has become one of the forefront and hot spot in the field of composite materials. The component,preparation and applications of novel paraffin-based composite materials were summarized.The urgent problems and possible future prospect of development were discussed.

Paraffin;composite materials;phase change;novel;energy storage

TE 626.88

A

1001-0017（2014）06-0438-03

2014-07-09

關(guān)磊（1981-），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，講師，主要從事納米材料的制備與應(yīng)用研究。