硬脂酸復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的自組裝合成及性能研究.pdf

1、復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料利用相變物質(zhì)相變過(guò)程中的相變潛熱來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與利用，不僅可解決相變物質(zhì)的腐蝕性、相變過(guò)程中的流動(dòng)性等自身缺陷，而且可解決能量供求在時(shí)間、空間上的不匹配，有助于提高能效和開(kāi)發(fā)可再生能源。本文利用層次分析法和多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序法對(duì)常用相變材料的綜合性能進(jìn)行了優(yōu)選排序，以?xún)?yōu)選的硬脂酸為相變儲(chǔ)熱主體，分別以高分子聚合物和無(wú)機(jī)載體對(duì)其進(jìn)行了封裝，測(cè)試了膠囊型相變儲(chǔ)熱材料和負(fù)載型相變儲(chǔ)熱材料的結(jié)構(gòu)和性能，分析了自組裝機(jī)理，研究了制

2、備工藝對(duì)復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料結(jié)構(gòu)和性能的影響，討論了界面作用與相變行為間的關(guān)系。
　　將層次分析法和多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序法引入相變材料的多屬性決策中，根據(jù)影響相變材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵性能參數(shù)，構(gòu)建了三個(gè)層次六個(gè)屬性的相變材料評(píng)價(jià)體系，建立了基于層次分析法和多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序法的相變儲(chǔ)熱材料評(píng)價(jià)模型，指出了評(píng)價(jià)方法和步驟。在此基礎(chǔ)上，對(duì)十種備選相變材料的綜合性能進(jìn)行了優(yōu)選排序。通過(guò)與文獻(xiàn)選用頻次的比較，證明了層次分析法和多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序法在相變

3、儲(chǔ)熱材料優(yōu)選排序中具有有效性、實(shí)用性和統(tǒng)一性，篩選出的綜合性能最優(yōu)的有機(jī)相變儲(chǔ)熱材料為硬脂酸。
　　以?xún)?yōu)選的硬脂酸為芯材，以甲基丙烯酸甲酯為壁材單體，通過(guò)紫外光引發(fā)單體聚合制備了硬脂酸/聚甲基丙烯酸甲酯微膠囊相變儲(chǔ)熱材料，應(yīng)用差示掃描量熱儀、熱重分析儀、掃描電子顯微鏡、傅立葉紅外光譜儀和加速熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)等手段研究了微膠囊相變儲(chǔ)熱材料的結(jié)構(gòu)和性能，討論了硬脂酸/聚甲基丙烯酸甲酯微膠囊的形成機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硬脂酸/聚甲基丙烯酸甲酯微膠囊

4、相變儲(chǔ)熱材料具有明顯的核-殼結(jié)構(gòu)，核殼間儀存在氫鍵作用，其芯材含量為51.8％，粒徑為2～3μm，熔融相變溫度和結(jié)晶相變溫度分別為60.4℃和50.6℃，對(duì)應(yīng)的相變潛熱分別為92.1J·g-1和95.9 J·g-1。硬脂酸/聚甲基丙烯酸甲酯微膠囊相變材料具有良好的穩(wěn)定性，熱循環(huán)次數(shù)對(duì)其相變行為無(wú)明顯影響。研究結(jié)果同時(shí)表明，采用紫外光引發(fā)單體聚合工藝可獲得與傳統(tǒng)熱引發(fā)工藝相媲美的微膠囊相變儲(chǔ)熱材料。
　　以硬脂酸-二十酸共晶混合物為

5、包封對(duì)象，采用紫外光引發(fā)甲基丙烯酸甲酯乳液聚合自組裝合成了硬脂酸-二十酸/聚甲基丙烯酸甲酯納米膠囊相變儲(chǔ)熱材料，研究了乳化劑種類(lèi)、乳化速率、引發(fā)劑濃度和交聯(lián)劑等因素對(duì)膠囊粒徑分布和儲(chǔ)熱性能的影響。研究結(jié)果表明，乳化劑類(lèi)型和乳化速率對(duì)硬脂酸-二十酸/聚甲基丙烯酸甲酯的儲(chǔ)熱能力和粒徑分布影響顯著。隨著乳化速率和引發(fā)劑濃度的增加，以及交聯(lián)劑的加入，硬脂酸-二十酸/聚甲基丙烯酸甲酯膠囊的粒徑逐漸減小、粒徑分布變窄，并且在乳化速率達(dá)到5000rp

6、m和單體濃度達(dá)到0.15 mol·L-1時(shí)趨于恒定。同時(shí)，單體濃度和引發(fā)劑濃度的增加，將會(huì)導(dǎo)致聚合速率加快，進(jìn)而導(dǎo)致粒子間聚集的速率增加，膠囊的儲(chǔ)熱能力下降。硬脂酸-二十酸/聚甲基丙烯酸甲酯納米相變膠囊的最佳制備工藝條件為核殼比1∶0.7;乳化速率5000rpm，單體濃度0.15mol·L-1、引發(fā)劑濃度0.10mmol·L-1，使用聚乙二醇辛基苯基醚為乳化劑、乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑。在該制備條件下，納米膠囊相變儲(chǔ)熱材料的平均粒徑

7、為46nm，硬脂酸-二十酸共晶混合物的含量為68.8％，熔融和結(jié)晶溫度分別56.9℃和54.5℃，相應(yīng)的相變潛熱分別為126.4 J·g-1和128.3 J·g-1，且具有良好的穩(wěn)定性。納米膠囊的形成使得共晶混合物的過(guò)冷度顯著減小。
　　以硬脂酸為相變基質(zhì)，采用化學(xué)氧化法制備了具有儲(chǔ)熱、導(dǎo)電功雙重功能的硬脂酸/聚苯胺復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)硬脂酸/聚苯胺復(fù)合材料組裝工藝的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)的表征和性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，聚合溫度對(duì)硬脂酸/聚苯胺復(fù)合材料的

8、形貌和儲(chǔ)熱能力影響顯著，摻雜酸的種類(lèi)僅影響硬脂酸/聚苯胺的形貌而對(duì)儲(chǔ)熱能力影響不大，引發(fā)劑種類(lèi)的不同則不會(huì)改變硬脂酸/聚苯胺的形貌但影響其儲(chǔ)熱能力，通過(guò)聚合溫度、摻雜劑種類(lèi)的選擇可調(diào)控硬脂酸/聚苯胺復(fù)合材料的形貌。組裝機(jī)理分析表明，片狀硬脂酸/聚苯胺復(fù)合材料的組裝作用力為氫鍵，而球形硬脂酸/聚苯胺復(fù)合材料的組裝力為靜電引力。制備具有良好穩(wěn)定性、較高儲(chǔ)熱能力的硬脂酸/聚苯胺復(fù)合材料的最佳工藝為:在室溫條件下，使用氨基磺酸為摻雜劑、過(guò)硫酸銨

9、和過(guò)氧化苯甲酰為混合引發(fā)劑，制備的片狀硬脂酸/聚苯胺復(fù)合材料中硬脂酸的含量為53.8％、導(dǎo)電能力為0.4336S·cm-1，熔融和結(jié)晶溫度分別為55.6℃和50.7℃，對(duì)應(yīng)的相變潛熱為98.0 J·g-1和97.5 J·g-1。硬脂酸/聚苯胺復(fù)合材料的形成，賦予了相變材料導(dǎo)電性能，拓展了應(yīng)用領(lǐng)域。
　　以硬脂酸為相變基質(zhì)，以甘肅平?jīng)龉I(yè)蒙脫土為載體，采用真空熱熔注入法和溶液浸漬法制備了兩種硬脂酸/蒙脫土復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，采用FTI

10、R、XRD、DSC和SEM等手段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試，并將真空熱融注入法獲得的相變儲(chǔ)熱材料添加到泡沫水泥中，研究了相變儲(chǔ)熱泡沫水泥的隔熱性能。結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，制備方法對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和形貌不會(huì)產(chǎn)生影響，兩種材料具有相似的形貌和結(jié)構(gòu)，硬脂酸均以物理作用吸附于蒙脫土表面，且兩者之間不存在任何化學(xué)鍵合。性能分析結(jié)果表明，在熱熔法和浸漬法制備的復(fù)合儲(chǔ)熱材料中硬脂酸的負(fù)載率分別為47.5wt.％和46.9 wt.％，其熔融相變溫度和結(jié)晶相變溫度

11、分別為59.9℃、58.2℃和55.1℃、54.6℃，對(duì)應(yīng)的相變潛熱分別為84.4 J·g-1、88.5 J·g-1和83.6 J·g-1、86.8 J/g，均具有較好的儲(chǔ)熱能力，且復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱能力和硬脂酸在蒙脫土表面的負(fù)載率成正比，但加速熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明浸漬法制備的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的熱穩(wěn)定性較差，真空熔融注入法更適合制備穩(wěn)定性良好的負(fù)載型復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料。模擬隔熱實(shí)驗(yàn)研究表明，添加3.3wt.％硬脂酸/蒙脫土的相變儲(chǔ)熱泡沫水泥