赤藻糖醇复合相变材料的制备及其热物性研究

摘要

化石燃料能源供给体系带来的能源危机和环境恶化等问题使得高效能量存储与释放技术成为当前世界各国竞相优先发展的核心技术。利用材料相变过程中吸收或释放的潜热而实现热能的存储、转化、运输与利用的潜热储热技术以其低成本、高储热密度和优异的稳定性已成为太阳能光热、工业余热等低品位热源利用的理想选择。赤藻糖醇作为一种优异的相变材料，具有较高的潜热和适宜的相变温度，尤其适合工业余热回收和家用热水生产，但其严重的过冷现象和不匹配的放热效率等缺陷限制了其规模化应用。鉴于此，本文以赤藻糖醇为对象，采用水热法和浸渍法制备了系列赤藻糖醇定型复合相变材料，并探究了载体、成核剂和增稠剂等对赤藻糖醇过冷度和放热效率的影响，旨在提高赤藻糖醇的热物理性能。 以赤藻糖醇（ET）为相变材料，氧化石墨烯为载体前驱体，采用水热法制备了赤藻糖醇/还原石墨烯气凝胶（ET/HGA）复合相变材料，研究了成核剂和增稠剂对赤藻糖醇热物性的影响。结果表明：由于HGA的定型和异质成核作用，赤藻糖醇的负载率最大为86.40%，过冷度从85.5℃降低到63.3℃，放热效率从64.1%提高到71.3%。成核剂木糖醇（XT）的加入不仅不能缓解ET/HGA的过冷度，反而当添加量为20.0wt%时出现冷结晶。增稠剂羧甲基纤维素（CMC）的加入可以有效抑制ET/HGA的过冷度，且随CMC添加量的增加其过冷度出现先减小后增大的趋势，当添加量为2.0wt%时，过冷度最小为6.8℃，放热效率最高为97.0%。 为进一步探索增稠剂对相变材料过冷的抑制作用，分别以羟乙基纤维素（HEC）和瓜尔胶（GG）为增稠剂，研究了其对ET/HGA过冷度和放热效率的影响。结果表明：GG对ET/HGA的过冷抑制没有明显效果，HEC也出现类似于CMC先减小后增大的现象，但效果明显弱于CMC。同时，将CMC应用于XT/HGA和PEG6000/HGA两种复合相变材料，分析了CMC对XT和PEG6000过冷特性的影响，结果发现CMC不能改善XT和PEG6000的过冷。结合热红外成像图和T-t曲线分析，CMC可能适合于成核困难但结晶速率较快的相变材料。 采用以抗坏血酸为还原剂、氧化石墨烯分散液自组装制备的还原石墨烯气凝胶（rGA）为载体，通过浸渍法制备了ET/rGA复合相变材料，优选了制备工艺，探究了不同还原温度的rGA对赤藻糖醇过冷特性和冷结晶的影响。结果表明：ET/rGA复合相变材料的最佳制备条件为GO浓度4mg/mL、还原时间5h和一次浸渍法。ET/rGA复合相变材料中赤藻糖醇的负载率高达92%以上，且rGA的引入使得ET的过冷度降低了20℃左右。随着载体还原温度的升高，ET/rGA复合相变材料的过冷度逐渐减小，放热效率逐渐提高。当增稠剂CMC添加量为2.0wt%时，对比水热法和浸渍法制备的ET/HGA2.0-C2.0和ET/rGA-C2.0复合相变材料的热物性参数，其熔化潜热、过冷度和放热能力分别为297.0J/g和300.2J/g、6.8℃和8.5℃、97.0%和96.7%，进一步说明CMC对赤藻糖醇过冷的抑制具有针对性。且经过100次热循环后均具有良好的热稳定性和可靠性。 综上，以水热法和浸渍法制备赤藻糖醇复合相变材料时，增稠剂CMC不仅可以提高ET的热导率、降低过冷度和提高放热效率，而且对抑制ET的过冷具有针对性。因而，可将其应用于成核性差而晶体生长速率快类相变材料如d-半乳糖醇和十二水磷酸氢二钠的过冷抑制中，以验证增稠剂的增稠效应与过冷抑制效果的关系。同时，限域载体的孔结构和界面效应与相变材料相变行为的变化规律仍需进一步探索和验证。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景和意义

1.2 相变储能材料

1.2.1 无机相变材料

1.2.2 有机相变材料

1.2.3 共晶相变材料

1.2.4 复合相变材料

1.3 相变材料的过冷现象及其研究进展

1.3.1 过冷度及其表现形式

1.3.2 影响过冷度的因素

1.3.3 抑制过冷的方法

1.4 选题的目标、内容和创新点

第2章 ET/HGA复合相变材料的制备及其热物性研究

2.1 试剂及仪器

2.2 实验

2.2.1 ET/HGA复合相变材料的制备

2.2.2 ET/HGA复合相变材料的结构表征与性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 反应温度和水醇比对ET/HGA复合相变材料失重率和负载率的影响

2.3.2 ET和HGA的质量比对ET/HGA复合相变材料储热性能的影响

2.3.3 成核剂XT对ET/HGA2.0复合相变材料储热性能的影响

2.3.4 增稠剂CMC对ET/HGA2.0复合相变材料储热性能的影响

2.3.5 ET/HGA2.0-C2.0复合相变材料的形貌与结构分析

2.3.6 ET/HGA2.0-C2.0复合相变材料的热导率和热稳定性分析

2.3.7 ET/HGA2.0-C2.0复合相变材料的循环稳定性分析

2.4 本章小结

第3章 增稠剂对HGA基复合相变材料过冷特性的影响

3.1 试剂及仪器

3.2 实验

3.2.1 HGA基复合相变材料的制备

3.2.2 HGA基复合相变材料的结构表征与性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 增稠剂HEC对ET/HGA2.0复合相变材料过冷特性的影响

3.3.2 增稠剂GG对ET/HGA2.0复合相变材料过冷特性的影响

3.3.3 增稠剂CMC对XT/HGA2.0复合相变材料过冷特性的影响

3.3.4 增稠剂CMC对P/HGA2.0复合相变材料过冷特性的影响

3.3.5 三种相变材料的结晶行为分析

3.4 本章小结

第4章 ET/rGA复合相变材料的制备及其热物性研究

4.1 试剂及仪器

4.2 实验

4.2.1 ET/rGA复合相变材料的制备

4.2.2 ET/rGA复合相变材料的结构表征与性能测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 GO浓度和还原时间对rGA成型性的影响

4.3.2 浸渍方法和次数对ET/rGA复合相变材料负载率和储热性能的影响

4.3.3 还原温度对ET/rGA复合相变材料储热性能的影响

4.3.4 还原温度对XT-ET/rGA复合相变材料储热性能的影响

4.3.5 增稠剂CMC对ET/rGA-95复合相变材料储热性能的影响

4.3.6 ET/rGA-C2.0复合相变材料的形貌和结构分析

4.3.7 ET/rGA-C2.0复合相变材料的热稳定性分析

4.3.8 ET/rGA-C2.0复合相变材料的循环稳定性分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录