新型蓄热储能复合材料的制备及其表征

摘要

热能存储技术的应用可以解决热能供给和需求之间的矛盾,是提高能源利用效率和保护环境的有效手段。这在能源供需矛盾日益突出的今天,显得尤为重要,并已成为近年来国内外的研究热点。利用固液相之间的相变过程来进行蓄热储能的相变材料具有温度恒定、相变潜热大、性能稳定等特点,而且原料多样、储量丰富,因此越来越受到重视。有机脂肪酸是其中来源广泛、价格较低的一类,具有较大的储热密度和较好的稳定性,但是也存在着相变过程中的流动、泄露、需要封装的问题。 本文在传统的以有机相变材料为主体的蓄热储能复合材料液相制备方法的研究基础上,提出了改进的液相制备方案；并创新性的将低热固相化学反应法引入到有机/无机复合相变储能材料的制备中。考察了所制备的复合材料的储热性能,探讨了有机/无机相变储能复合材料的制备工艺和机理,提出了低热固相化学反应制备有机/无机复合相变储能材料的新方法。该新方法具有操作简单(仅一步反应),反应温度低(室温或近室温),高效节能(基本不需加热),反应不需溶剂,对环境污染小等优点,并且所制备的复合材料蓄热性能得到了提高。该研究开辟了有机/无机相变储能复合材料制备研究的新领域,同时也为在拓展新型相变蓄热储能复合材料的制备及推进更深一步的研发应用奠定了基础,并丰富了复合材料化学领域的研究内涵。 采用原位聚合法,以脂肪酸为芯材,脲醛树脂为壁材,合成了微胶囊相变蓄热复合材料,并通过添加三聚氰胺作为复合壁材进行复配改进,运用红外、热重、差示扫描量热法进行了分析和表征；对乳化剂的种类进行了对比选择,并考察了NaCl添加量、溶液pH值及搅拌速率对微胶囊化反应的影响,从而最终确定最优反应条件；分析讨论了原位聚合法对相变材料胶囊化制备的机理,并从立体空间结构角度对复配壁材提高复合相变微胶囊的包覆率和稳定性的实验结果进行了理论分析和探讨。 通过利用正硅酸乙酯的水解及聚合反应,在液相中制备了具有蓄热储能性能的脂肪酸/二氧化硅相变蓄热复合材料,进一步提出了微乳液改进的液相化学反应方法来制备新型脂肪酸/二氧化硅相变蓄热复合材料；考察了表面活性剂对该制备方法的影响并对制备过程的反应机理进行了探讨。 在研究了无机材料二氧化硅的低热条件下的固相化学反应合成的基础上,首次将室温固相化学反应法引入到蓄热储能复合材料的制备当中,提出了采用室温固相反应法制备了微、纳米级包覆二氧化硅的新型脂肪酸相变蓄热复合材料的新方法,并利用XRD,IR、TG、DSC、SEM、TEM、EDS等手段对产物做了相应的表征,探讨了室温固相法在有机相变蓄热材料脂肪酸表面复合包覆SiO2的反应机理。利用差示扫描量热分析技术对脂肪酸/二氧化硅新型相变蓄热复合材料进行了热循环使用寿命的初步考察,并从结构方面对其初步显示的良好的热循环性能给予了理论分析和解释。 最后利用室温固相反应法对以不同比例混合的混合酸为相变主体的复合相变材料进行了制备的研究,并初步考察了混合酸的组成比例与相变温度及相变潜热的关系。结果表明这种新的制备方法不仅为室温固相化学反应制备材料提供了可行性实例,也拓展了通过比例调控来制备满足不同温度要求的新型复合相变蓄热材料的新的应用领域。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2常见的蓄热储能方式

1.2.1显热蓄热

1.2.2潜热蓄热

1.2.3化学方法蓄热

1.3国内外研究状况

1.4蓄热材料的应用

1.5复合相变材料的研究与发展

1.5.1制备复合材料的方法

1.5.2复合材料的表征

第二章本论文的选题及主要研究内容

2.1本论文的选题依据

2.2本论文的主要研究内容

第三章脂肪酸/脲醛相变微胶囊材料的制备

3.1引言

3.2实验试剂仪器

3.3脂肪酸/脲醛相变微胶囊的制备

3.4结果与讨论

3.4.1 IR分析

3.4.2TG及DSC分析

3.4.3乳化剂的种类及用量

3.4.4 NaCI的用量及作用

3.4.5 pH值的控制

3.4.6搅拌速度的影响

3.4.7微胶囊化工艺的改进

3.4.8微胶囊的SEM分析

3.5脂肪酸/脲醛微胶囊相变材料的制备机理分析

3.6本章小结

第四章复合SiO2的脂肪酸相变蓄热材料的液相反应法制备

4.1概述

4.2复合SiO2的十八酸相变蓄热材料的溶胶—凝胶反应法制备

4.2.1引言

4.2.2实验原理

4.2.3实验试剂、仪器

4.2.4十八酸／SiO2复合蓄热材料的制备

4.2.5结果与讨论

4.3复合Si02的脂肪酸相变蓄热材料的微乳液反应法制备

4.3.1引言

4.3.2实验试剂、仪器

4.3.3脂肪酸／SiO2复合相变蓄热材料的微乳液制备方法

4.3.4结果及讨论

4.3.5脂肪酸／SiO2复合相变蓄热材料微乳液反应制备方法的机理探讨

4.4本章小结

第五章室温固相法制备二氧化硅的研究

5.1 引言

5.2实验部分

5.2.1实验试剂和仪器

5.2.2样品的制备方法

5.3结果与讨论

5.3.1 X-射线衍射分析(XRD)

5.3.2红外光谱分析(FFIR)

5.3.3透射电镜分析(TEM)

5.4室温固相化学反应制备二氧化硅的机理探讨

5.4.1室温固相化学反应类型和机理

5.4.2室温固相化学反应动力学研究

5.4.3室温固相化学反应制备二氧化硅的机理

5.5本章小结

第六章复合SiO2的十八酸相变蓄热材料的一步固相化学制备及机理

6.1概述

6.2实验试剂与仪器

6.3样品的制备方法

6.4结果及讨论

6.4.1样品的X-射线衍射分析(XRD)分析

6.4.2样品的IR分析

6.4.3样品的热重及差热分析

6.4.4样品的SEM分析

6.4.5样品的粒径分布

6.4.6样品的表面性能分析

6.5一步室温固相化学反应制备复合相变蓄热材料SA的机理探讨

6.6本章小结

第七章复合SiO2的脂肪酸相变蓄热材料的制备、机理及热循环性

7.1概述

7.2复合SiO2的十六酸及十二酸相变蓄热材料的同相反应法制备

7.2.1实验试剂与仪器

7.2.2样品的制备方法

7.2.3结果及讨论

7.3固相法制备的复合SiO2的十六酸及十八酸相变蓄热材料的热循环性

7.3.1引言

7.3.2实验仪器和方法

7.3.3结果讨论

7.3.4复合SiO2的脂肪酸酸相变蓄热材料热循环稳定性的机理探讨

7.4复合SiO2的混合酸相变蓄热材料的固相反应法制备

7.4.1引言

7.4.2实验试剂与仪器

7.4.3样品的制备方法

7.4.4结果与讨论

7.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢