新型石蜡基复合材料的研究进展

关 磊，白玄玄，范文婷，王 莹

（1.辽宁石油化工大学，化学与材料科学学院，辽宁 抚顺113001；2.辽宁石油化工大学，化学化工与环境学部实验中心，辽宁 抚顺113001）

新型石蜡基复合材料的研究进展

关 磊1，白玄玄1，范文婷1，王 莹2

（1.辽宁石油化工大学，化学与材料科学学院，辽宁 抚顺113001；2.辽宁石油化工大学，化学化工与环境学部实验中心，辽宁 抚顺113001）

石蜡基复合材料具有不同的组成和结构，包括氧化物/石蜡、单质/石蜡、聚合物/石蜡等二元复合材料以及石蜡基三元复合材料。它们具有优异的物理和化学性质，在众多领域里显示出广阔的应用前景，如润滑与摩擦学、储能材料和传感器等领域。制备具有新颖组成和结构的石蜡基复合材料及其应用研究已经成为复合材料领域的研究前沿和热点之一。综述了新型石蜡基复合材料的组成、制备以及应用的研究进展，探讨了该研究领域亟待解决的问题以及今后可能的发展前景。

石蜡；复合材料；相变；新型；储能

前言

人类发展到今天，已经使用、制备了多种多样的材料。但是，单一组成的材料的性质已经远远不能满足当今人们进一步发展的需求，因此将多种材料用一定的方法组合在一起，获得一种性能优于各个组成材料的复合材料，是材料研究和发展的必然趋势。伴随着复合材料的大量使用，新型复合材料博采众长，在高技术领域和民用工业中都获得了应用。复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合而形成的新型材料。它既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能。各种组成材料的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。石蜡基复合材料是材料领域中应用最广泛的复合材料之一。石蜡基复合材料是以石蜡为基体，在其中添加聚合物或其它材料而形成的复合材料。在制备以及应用研究中，石蜡基复合材料可以分为，单质/石蜡[1]、氧化物/石蜡[2]和聚合物/石蜡[3]等二元复合材料以及石蜡基三元复合材料[4]等。石蜡基复合材料的应用前景比较广泛，比如储能材料、传感器、润滑与摩擦等领域。

1 石 蜡

石蜡价格便宜且来源广泛，主要是直链烷烃（十四烷～三十烷）的混合物[5]。石蜡在生产的过程中不可避免的会掺杂少量的杂质。一般采用的工业级石蜡含有杂质，其作为石蜡复合材料的基体，对于复合材料的稳定性、颜色和物理性质有一定的影响，使得其在实际应用方面存在一定的局限性。高纯度石蜡的价格昂贵，限制了复合材料性质的研究进展。

2 石蜡基复合材料的制备

2.1 氧化物/石蜡二元复合材料

王继芬等人[2]采用搅拌和超声震荡的方法将直径为30nm的氧化锌纳米颗粒分散到石蜡中制得石蜡基复合材料。表征结果表明，氧化锌纳米颗粒在石蜡中分散良好。氧化锌纳米颗粒在复合物中的颗粒小于100nm。杨化等人[6]采用二氧化硅为增强体，石蜡为基体制得了石蜡基复合相变材料。表征结果表明，该复合材料具有多孔结构，石蜡嵌合在孔道中。Ho等人[7]采用乳化的方法制得了Al2O3/石蜡二元复合材料。表征结果表明，含5%（wt）和10%（wt）Al2O3纳米颗粒的复合材料的熔点分别为26.0℃和26.3℃，凝固点分别为25.0℃和25.3℃。

2.2 单质/石蜡二元复合材料

仲亚娟等人[8]以石墨泡沫、炭毡和压缩膨胀石墨为增强体制得了三种不同的石蜡相变储能复合材料。研究结果表明，浸蜡石墨泡沫和炭毡发生相变后没有发生开裂。而浸蜡压缩膨胀石墨在经过多次储放热循环后发生开裂。Zhang等人[9]采用膨胀石墨为增强体，石蜡为基体制得了二元复合相变储能材料。表征结果表明，石蜡被吸进膨胀石墨的层结构中，而石墨的固有结构并没有改变。膨胀石墨作为支撑材料，防止石蜡从其孔结构中泄漏。刘春雷等[10]在氩气保护下，采用200目的纯铜粉和生物切片，用石蜡为原料，分别以三种不同的质量比混合在球磨机中球磨，制得铜/石蜡二元复合材料。表征结果表明，石蜡包覆铜粒子，形成核-壳结构。球磨时间为100h时，铜粒子的直径在70nm左右。

2.3 聚合物/石蜡二元复合材料

金和等人[11]采用EVA树脂为支撑材料，熔融石蜡为相变材料制得了定形的相变复合材料。考察了EVA树脂的型号以及石蜡的含量与复合材料相变焓之间的关系。研究了该复合材料的微观形貌和热稳定性。Sarl[12]采用高密度的聚乙烯和石蜡为原料制得了二元复合材料。表征结果表明，石蜡分散在固体高密度的聚乙烯网络中。聚乙烯起到支撑的作用，防止熔化的石蜡漏出。Krupa等人[13]将低密度的聚乙烯与软石蜡相混合制得了相变复合材料。表征结果表明，该复合材料的表面比较平滑，个别区域有轻微的突起。

2.4 石蜡基三元复合材料

曾国勋等人[14]采用溶胶-凝胶法与H2还原法制得了Al2O3为0.5～5.0%（wt）的Fe/Al2O3复合材料，然后，将该复合材料与石蜡按质量比4∶1制得Fe/Al2O3/石蜡复合材料。Li等人[15]采用高密度的聚乙烯和木质粉为支撑材料，石蜡为基体材料制得了三元复合相变材料。表征结果表明，该复合材料组成是一致的，大部分微胶囊颗粒并没有损坏。

3 石蜡基复合材料的应用

3.1 储能材料

石蜡是一种化学性质比较稳定、价格低廉、无毒、相变温度宽、潜热密度大的储能材料，可以根据实际的需要，添加增强材料进行调节制备在太阳能利用、建筑节能、日常生活等方面具有巨大的潜在应用价值的相变复合材料。

Li等人[16]研究了斑脱土/石蜡复合材料的热性质。研究结果表明，该复合材料的熔点和凝点分别为41.7℃和43.4℃，潜热为39.84J/g。与纯石蜡相比，该复合材料具有更好的热稳定性，在能量储存方面具有潜在的应用价值。仲亚娟等人[8]分别采用石墨泡沫、炭毡和压缩膨胀石墨作为传热载体，与石蜡复合制得了三种不同的碳材料/石蜡相变储能复合材料。研究结果表明，与纯石蜡相比，三种不同的复合材料的热导率分别提高了437倍、14倍和25倍；三种复合材料的相变潜热分别为42.34J/g，48.38J/g和57.82 J/g。姜传飞等人[17]采用相变潜热较高的石蜡作为蓄能基体，膨胀石墨为增强材料，利用共混吸附法制得了相变复合材料。研究结果表明，具有大量微孔结构的膨胀石墨与石蜡的相容性良好，使得石蜡的导热系数升高并且不易泄露。Wang等人[18]采用多壁碳纳米管和石蜡为原料，制得了储热复合材料。研究结果表明，随着碳纳米管的比例增加，与纯石蜡相比，该复合材料的熔点有所降低，热导率有所增加。当碳纳米管的质量分数达到2%时，固态和液态的热导率分别增加35%和40%。

3.2 摩擦学

张玲等人[19]使用摩擦磨损试验机研究了硫化锑纳米棒及颗粒增强石蜡基复合材料的摩擦学性质。研究了两者作为润滑剂条件下的摩擦系数、磨斑直径、钢球磨损表面形貌的变化规律。研究结果表明，在低载荷时，与硫化锑纳米颗粒相比，硫化锑纳米棒的减摩抗磨性更好。曹智等人[20]研究表明，添加SiO2纳米颗粒的液体石蜡剂具有良好的抗磨性质，能够较好地提高液体石蜡的失效载荷。表面修饰的SiO2纳米颗粒在摩擦过程中发生了化学反应，在其表面形成了有机分解产物等组分的边界润滑膜，因而具有较好的抗磨性能以及较高的载荷能力。宣瑜等人[21]对比了AlOOH和Fe3O4纳米粒子分别在石蜡中的摩擦学性能。对比结果表明，这两种纳米颗粒都能对石蜡的减摩耐磨性能有所提高。相对于Fe3O4纳米颗粒，层状结构的AlOOH纳米颗粒表现出更好的减摩耐磨性能。

3.3 其它

曾国勋等人[14]制得了Fe/Al2O3/石蜡三元复合材料。考察了Al2O3对该复合材料微波吸收性能的影响。研究结果表明，Al2O3质量分数由0增加到5.0%时，复合材料的复介电常数实部由11增加到21；复磁导率虚部呈多模共振的曲线形式。刘春雷等[10]制得的铜/石蜡二元复合材料中，当铜粉和石蜡以不同质量比混合时，该复合材料在一定温度下的膨胀效果不同。研究发现，铜粉和石蜡在质量比为4∶1时其膨胀性能最佳。铜粉和石蜡的质量比一定时，石蜡的体膨胀量随着其熔点的增加而增大。

4 结论与展望

石蜡基复合材料是一类新型复合材料，具有优异的物理和化学性质，显示出了很好的科研价值和广阔的应用前景。目前，人们已经采用多种方法制得了不同组成和结构的二元和三元石蜡基复合材料。但是，真正要将其得以实际应用，仍有几大问题亟待解决：（1）研究者们虽然采用不同的增强体制得了组成新颖、结构新颖，性质优异的石蜡基复合材料，但这些制备方法距离过程简单、可用于放量制备的工业化要求还有一段很大的差距；（2）如何对石蜡基复合材料的微观结构以及增强体与石蜡间界面相的控制是研究者们面临的一大难题，因为界面相不再看作是复合材料的缺陷，而是把它看作是影响复合材料性能的重要因素之一；（3）对石蜡基复合材料的潜在应用价值的研究还不够全面，主要研究集中在相变储能以及摩擦方面，其它领域的研究还不成熟，没有形成体系，没有现成的理论来解释其具有优异理化性质的根本原因。相信经过科研工作者大量而系统的基础理论研究和实验工作之后，在不久的将来，随着人们对石墨烯复合材料的制备方法和应用等问题的不断改善和改进，石墨烯复合材料定能改变人类的实际生活。

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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

关磊（1981-），男，辽宁沈阳人，博士，讲师，主要从事纳米材料的制备与应用研究。