聚乙二醇基復(fù)合儲熱材料的制備、性能及其相變傳熱過程研究.pdf

1、相變儲熱技術(shù)具有儲熱密度大和儲熱過程近似恒溫的優(yōu)點(diǎn)，在太陽能熱利用、電子器件熱保護(hù)以及建筑節(jié)能等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。聚乙二醇(PEG)是目前最受關(guān)注的相變材料之一，具有相變潛熱大、相變溫度范圍廣、物化性能穩(wěn)定和安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍存在導(dǎo)熱性能差和液相泄漏問題。本文提出采用材料復(fù)合技術(shù)對其進(jìn)行改性，篩選兩類不同結(jié)構(gòu)特征的石墨材料為導(dǎo)熱強(qiáng)化相，分別制備了PEG/膨脹石墨(EG)和PEG/納米石墨片(GnPs)復(fù)合相變材料；

2、研究了復(fù)合材料組成、結(jié)構(gòu)與熱物性能之間的關(guān)系及其動力學(xué)機(jī)理；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制備了新型復(fù)合定形相變材料；同時(shí)對所制備復(fù)合材料的相變傳熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量研究，基于傳熱性能評價(jià)結(jié)果反饋指導(dǎo)了復(fù)合相變材料的組分優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 以多孔結(jié)構(gòu)EG為導(dǎo)熱強(qiáng)化相，采用真空浸滲工藝制備了PEG/EG復(fù)合相變材料，綜合運(yùn)用FE-SEM、XRD、FT-IR、POM和DSC等手段研究了復(fù)合相變材料的形貌、結(jié)構(gòu)和熱物性能。結(jié)果表明：EG豐富的孔結(jié)構(gòu)對

3、液態(tài)PEG具有較強(qiáng)的吸附固定作用，當(dāng)EG含量為8wt.％時(shí)可以獲得定形相變材料；隨著EG含量的增加，PEG基體中逐步形成了完善的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，EG含量為10wt.％的復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較純PEG提高了19.4倍；但是當(dāng)EG含量超過6wt.％后，其微孔結(jié)構(gòu)對PEG分子鏈段熱擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙作用加劇，導(dǎo)致復(fù)合相變材料相變溫度和相變焓的顯著下降，EG含量為10wt.％的復(fù)合相變材料熔點(diǎn)(Tm)和凝固點(diǎn)(Tf)分

4、別由純PEG的50.9和35.7℃降低至41.8和21.5℃，而其融化焓(△Hm)和凝固焓(△Hf)則分別僅為理論值的67.4％和73.6％。
　　 超聲粉碎處理EG獲得了形狀比為300～800倍的GnPs，以之為導(dǎo)熱強(qiáng)化相，采用真空浸滲工藝制備了PEG/GnPs復(fù)合相變材料，并對其形貌、結(jié)構(gòu)和熱物性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：超聲粉碎處理對石墨物相結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)特性基本沒有影響；GnPs較大的形狀比令其較易均勻分散在聚合物基體中并

5、形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，GnPs含量為10wt.％的復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較純PEG提高了10.8倍；與PEG/EG復(fù)合相變材料相比，PEG/GnPs復(fù)合體系的相變溫度變化更小，相變焓更接近其理論計(jì)算值。
　　 針對不同結(jié)構(gòu)特征石墨材料對PEG相變參數(shù)影響的差異性，采用DSC研究了純PEG及復(fù)合相變材料的非等溫相變過程動力學(xué)。結(jié)果顯示：復(fù)合相變材料的表觀活化能均高于純PEG，表明EG與GnPs對PEG分子鏈段熱擴(kuò)散運(yùn)動均具有一定的限制作用；

6、與GnPs相比，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EG使復(fù)合體系表觀活化能的增加幅度更大，表明EG微孔結(jié)構(gòu)較GnPs片層結(jié)構(gòu)對PEG分子鏈段熱擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙作用更強(qiáng)。
　　 基于相變動力學(xué)分析結(jié)果，選取GnPs為導(dǎo)熱強(qiáng)化相，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為結(jié)構(gòu)支撐材料，采用超聲輔助原位聚合工藝制備了新型PEG/PMMA/GnPs復(fù)合定形相變材料。FE-SEM與POM結(jié)果顯示，PEG被均勻吸附固定在PMMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，該復(fù)合方式在保證復(fù)合定形相變材料

7、相變過程中無液態(tài)PEG泄露的同時(shí)為其提供了一定的力學(xué)性能。XRD與FT-IR結(jié)果表明，各組分在復(fù)合工藝過程中以物理形式結(jié)合。超聲輔助原位聚合工藝能使GnPs有效分散在聚合物基體中并形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，GnPs含量為8wt.％的復(fù)合定形相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較PEG/PMMA提高了8.4倍。所制備復(fù)合定形相變材料均具備可觀的儲熱能力和定形性能，當(dāng)GnPs含量為8wt.％時(shí)，復(fù)合定形相變材料的△Hm和△Hf分別達(dá)到114.7 kJ·kg-1和97.0

8、kJ·kg-1，55℃時(shí)其抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.7 MPa，75次相變循環(huán)后質(zhì)量損失率僅為2.5％。
　　 采用時(shí)間-溫度法對純PEG及PEG/EG復(fù)合相變材料的相變傳熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，基于實(shí)測結(jié)果評價(jià)了復(fù)合改性對相變材料使用性能的影響。結(jié)果表明：純PEG在相變傳熱過程中存在顯著的自然對流效應(yīng)；多孔結(jié)構(gòu)EG能有效吸附固定液態(tài)PEG，限制自然對流作用；EG能顯著提高復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，降低相變傳熱過程中的熱阻，有效提高復(fù)合相變材

9、料的相變傳熱速率；PEG/EG復(fù)合相變材料中，EG的優(yōu)化含量約為6～8wt.％。
　　 綜上所述，本論文分別開展了PEG基復(fù)合相變材料的設(shè)計(jì)與制備，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、熱物性能和相變動力學(xué)機(jī)理等方面的研究。研究結(jié)果對改善PEG使用性能并促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值；其中關(guān)于PEG/石墨復(fù)合相變材料相變動力學(xué)機(jī)理的研究對理解復(fù)合體系中的非常規(guī)相變機(jī)制具有較大的幫助；另外，關(guān)于復(fù)合材料相變傳熱過程的實(shí)驗(yàn)研究能有效評價(jià)復(fù)合改性的效