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《河南师范大学》 2012年
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复合相变储能材料的制备及其性能研究

路宽  
【摘要】:面对能源危机的日益严重,如何节约能源和提高能源的利用率受到人们广泛的关注,利用相变材料(phase change materials,PCMs)进行潜热储能的研究在国内外深受重视,其中固-液复合相变材料的制备与研究已成为储能领域研究的热点。 固-液复合相变储能材料可以有效地解决相变材料在发生相变时易泄漏而需要封装的问题,但其存在的缺陷是复合相变材料的形成会导致储热能力下降,同时复合相变材料经过多次冷热循环后会出现不稳定现象,选择性能良好的基体材料制备固-液复合相变材料可以有效地解决和改善这些缺陷。 本研究通过不同的方法制备了不同的固-液复合相变材料,其一,以硬脂酸为相变材料,以埃洛石(halloysite nanotubes, HNTs)为基体材料,以埃洛石/二甲基亚砜为前躯体,通过取代的方法制备了硬脂酸/埃洛石复合相变材料;其二,分别以聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)、癸酸-硬脂酸(capric-stearic acid, CA-SA)低共熔物为相变材料,以埃洛石为基体材料,以无水乙醇为溶剂,采用液相插层法制备了聚乙二醇/埃洛石复合相变材料、癸酸-硬脂酸/埃洛石复合相变材料。利用X-射线衍射(XRD)确定了埃洛石的晶体结构,通过扫描电镜(SEM)观察了埃洛石及复合相变材料的微观形貌,利用综合热分析仪(TG-DSC)测定了复合相变材料的相变温度,相变潜热以及表征了复合相变材料的热稳定性,通过红外光谱(FT-IR)分析对复合相变材料之间的嵌合关系进行了表征。 研究结果表明: 1、硬脂酸/埃洛石复合相变材料中,埃洛石的层间距由0.74nm增大到3.92nm,插层率达到了95.4%,埃洛石的内表面羟基与硬脂酸的羰基形成了氢键,其外层硅氧面上的氧与硬脂酸的羟基形成了氢键,复合相变储能材料的相变温度为50.3oC,相变焓为103.9J/g,经过500次冷热循环后仍然具有较好的兼容性、热稳定性及化学稳定性。 2、以聚乙二醇6000为相变材料、埃洛石为基体材料,采用无水乙醇夹带的方法制备出了聚乙二醇/埃洛石复合相变材料。借助于SEM、FT-IR和TG-DSC等手段对复合相变材料的形貌特征、吸附效果、复合机理及热性能进行了研究。结果表明:复合相变材料中聚乙二醇的适宜含量为65%(质量分数,下同),相变材料含量为65%的复合相变材料的相变温度为58.7oC、相变焓为105.6J/g,经过500次冷热循环后仍具有较好的兼容性、热稳定性及化学稳定性。 3、癸酸-硬脂酸/埃洛石复合相变材料中,由于埃洛石的活性表面,癸酸-硬脂酸低共熔物插层到埃洛石层间,其羰基与埃洛石的内表面羟基形成了氢键,另外由于毛细管作用及内表面活性,癸酸-硬脂酸低共熔物的羟基与埃洛石管状晶体结构的外层硅氧面上的氧形成了氢键,他们之间并没有发生化学反应导致新物质的生成,复合相变材料中脂肪酸的含量应该控制在60%以内;脂肪酸含量为60%的复合相变材料的相变温度为27.9oC,相变潜热为92.6J/g,在低温储热系统中具有较广阔的应用前景,经过连续500次冷热循环后,复合相变材料的相变温度和相变潜热变化较小,具有较好的兼容性、热稳定性及化学稳定性; 4、聚乙二醇1000和埃洛石制备的复合相变储能材料中,综合考虑储热性能和使用安全性,其中聚乙二醇的最高吸附量为65%,相变材料含量为65%的复合相变材料的相变温度为27.8oC,相变潜热为85.25J/g,可以较好地运用到低温储热领域中,经过500次冷热循环后,其相变温度和相变潜热变化不大,具有较好的热性能、热稳定性及化学稳定性,聚乙二醇与埃洛石之间只是简单的嵌合作用,没有发生化学变化导致新物质的生成。 本论文的创新之处是:首次研究了以埃洛石作为基体材料,采用二甲基亚砜取代法制备了硬脂酸/埃洛石复合相变材料,对其制备方法及复合相变材料的性能进行了研究,复合相变材料储热能力较高,经过多次冷热循环后仍然具有较好的热性能、热稳定性及化学稳定性;另外首次通过液相插层法制备了相变材料分别为聚乙二醇、癸酸-硬脂酸低共熔物的复合相变材料,制备出的复合相变材料同样具有较高的储热能力,适宜的相变温度,并且经过多次冷热循环后仍然具有较好的热性能、热稳定性及化学稳定性。
【学位授予单位】:河南师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB34

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