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《西安工程大学》 2014年
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纳米TiO_2复合相变微胶囊的热性能研究

任欢欢  
【摘要】:随着全球能源匮乏,人类环保意识逐渐增强,相变储能技术因其可以储存并释放能量、实现能源的充分利用而引起人们的广泛关注。相变材料微胶囊化是相变储能技术应用中的具体形式之一,但其具有很多弊端,例如热容量低,过冷度高,功能单一,热稳定性低,使用寿命短等等。利用相变材料微胶囊独特的核/壳结构,掺杂功能纳米材料来制备复合相变微胶囊,操控纳米材料在相变微胶囊中的含量的研究非常少。本课题对无机纳米TiO2粒子进行疏水性处理,制备出具备不同表面能的纳米TiO2粒子,以此对纳米材料在相变微胶囊中的含量加以控制,研究纳米TiO2复合相变微胶囊的热性能与其负载纳米粒子量之间的关系。 本课题筛选两种硅烷偶联剂为疏水处理剂,分别为苯基三甲氧基硅烷(phenyltrimethoxysilane,PTMS)和辛基三甲氧基硅烷(octyltrimethoxysilane,OTMS),确定出最佳疏水处理剂为辛基三甲氧基硅烷(OTMS)。应用大型数据分析软件Minitab15.0,以接触角和活化率为疏水处理效果指标,对纳米TiO2疏水处理工艺条件(反应时间、温度及疏水处理剂的使用量)进行了优化研究。采用红外光谱FTIR及激光粒径分析两种测试手段对样品的理化性能进行了研究。 结果表明:①反应时间是20min,疏水处理剂的使用量为5%(w/w),反应温度是80℃时,纳米TiO2粒子的疏水处理效果最好,接触角为120°,活化率为96.7%。②纳米TiO2的平均粒径是0.35μm,改性纳米TiO2粒径分布变宽,在0.31μm-0.35μm之间,改性前后粒径均服从正态分布。③纳米TiO2接触角随着活化率的增大而增大。基于活化率是表征纳米粒子疏水处理效果常用指标,其与接触角的相关系数R2=0.9588,接近1,说明本课题应用粉末压片法测量接触角表征疏水效果是可靠的。④红外光谱显示出OTMS已经接枝到纳米TiO2粒子上。 本课题选用四种纳米TiO2粒子,接触角分别为51.5°、91.6°、109°、120°,以三聚氰胺、甲醛为壳材,溴代十六烷为芯材,用原位聚合法制备出四种负载不同疏水性纳米TiO2粒子的纳米复合相变微胶囊(Nano composite phase change material microcapsules,NC-MicroPCMs),一种常规相变微胶囊(常规MicroPCMs)作为对比,共计5种样品,规格统一为芯/壳比为5∶1,甲醛/三聚氰胺的摩尔比为1.8∶1,纳米TiO2加入量为芯材重量的6%(w/w)。其中NC-MicroPCMs依负载的纳米TiO2粒子疏水性从小到大的顺序编号为EMP0、EMP1、EMP11、EMP5。以纳米TiO2的疏水性为指标讨论了NC-MicroPCMs的性能与其负载纳米粒子量之间的关系。使用扫描电镜(SEM)、红外光谱、拉曼光谱、激光粒度分析、差示扫描量热仪(DSC)及热重分析(TG)等多种方法对样品的理化性能进行了研究。结果表明: (1)四种NC-MicroPCMs及常规MicroPCMs均成规则圆球形,无粘连现象,分散 较好。 (2)样品EMP5,通过Fe-SEM观察发现纳米TiO2已嵌入到EMP5微胶囊内部及壳上,并交联成均匀网络状结构。 (3)常规MicroPCMs及NC-MicroPCMs的粒径大小依据负载纳米TiO2粒子疏水性从低到高的顺序分别为8.719μm,6.738μm、6.694μm、6.317μm、5.932μm。 (4)红外光谱及拉曼光谱数据显示:复合到EMP0的纳米TiO2粒子很少,几乎没有。EMP1、EMP11、EMP5均复合上了纳米TiO2粒子。纳米TiO2粒子疏水性越大,进入微胶囊里的纳米TiO2粒子量越多。 (5) NC-MicroPCMs负载的纳米粒子量依负载纳米TiO2粒子疏水性从低到高的顺序分别为:0.79%,1.94%,3.65%,4.61%;最大热分解温度分别为TMicroPCMs=201℃,TEMP0=219℃,TEMP1=283℃,TEMP11=286℃,TEMP5=306℃;MicroPCMs的热焓值最低为111J/g,EMP5的最高为122.8J/g;常规MicroPCMs的过冷度最大为9.21℃,EMP5的最低为7.61℃。 (6)随着纳米TiO2疏水性的增大,复合到微胶囊上的TiO2粒子量越多,纳米复合相变微胶囊的热稳定性越好,热焓值及包裹率越大,过冷度越低。
【学位授予单位】:西安工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TS195.2;O614.411

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【参考文献】
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