碳酸钙包覆正十九烷相变微胶囊及其热物性研究

摘要

相变材料能以潜热的形式吸收电池充放电过程中所产生的热量，调控电池工作温度，防止电池由于热失控所导致的自燃甚至爆炸。由于相变材料具体应用时存在泄露问题，因此，将相变材料进行封装，能够有效避免相变材料在固-液相变过程中的泄露问题，同时提高相变材料的导热系数、机械强度、使用耐久性等性能。本文面向电池热管理的应用背景，制备了一种新型相变微胶囊及其潜热型功能流体，并对相变微胶囊和潜热型功能流体的热物性进行了研究。本文主要研究内容及结论如下： (1)采用高导热材料碳酸钙(CaCO3)将正十九烷(n-nonadecane)相变材料进行封装，制备了新型正十九烷/碳酸钙相变微胶囊，并对其结构和热物性进行测试。傅里叶光谱和X射线衍射表明正十九烷被碳酸钙成功包覆，透射电镜证实产物具有明显壳核结构。改变反应芯壁比、转速、温度、乳化剂浓度等工艺参数，探究其对相变微胶囊的微观形貌、热物性能的影响，分析得出制备该相变微胶囊的最佳反应条件。实验表明，芯壁比为3∶1，搅拌速率为800rpm，反应温度设置为45℃，乳化剂浓度为15mmol/L时，制备得到的相变微胶囊呈光滑球状结构且粒径均匀，相变潜热高达134.83J/g，包覆率为59.68%。 (2)采用导热系数测试仪测试正十九烷/碳酸钙相变微胶囊的导热系数，证实引入碳酸钙高导热无机壁材后，微胶囊的热导率得到显著提升，常温下导热系数提升至正十九烷的3.58倍。相变微胶囊在80°C恒温20h后没有出现泄露，证明碳酸钙外壳紧凑致密，具备良好的封装效果。经热重仪分析，纯十九烷在150℃开始降解，相变微胶囊在170℃出现质量损失，说明致密的碳酸钙壳能够有效地防止正十九烷芯材在高温下的分解损耗，提升了相变微胶囊的热稳定性。采用差式扫描量热仪对相变微胶囊进行200次DSC循环测试后，相变微胶囊依然表现出良好的相变特性，证明其具备良好的热稳定性和耐久性。微胶囊还具有较高的机械强度，持续机械搅拌后仍保持良好的结构特性和相变潜热。 (3)基于正十九烷/碳酸钙新型相变微胶囊，制备了质量分数为5wt.%、10wt.%、15wt.%的潜热型功能流体，并对其密度、粒径大小、机械稳定性、相变特性、导热系数及粘度进行了测试表征。质量分数为5wt.%、10wt.%、15wt.%的潜热型功能流体的相变潜热分别为6.43J/g、13.04J/g、19.24J/g，与理论潜热值误差小于5.11%。相同温度下，添加了相变微胶囊后的流体，其导热系数均小于基液的导热系数。在芯材的相变温度点，由于固液相的转变，潜热型功能流体的导热系数轻微降低，其余温度下，同一潜热型功能流体的导热系数随温度的升高而增大。将流体粘度的实测值与Einstein、Brinkman-Roscoe、Batchelor以及de Kruif等经验公式计算出的理论值进行对比，结果表明，对于微胶囊质量为5wt.%的潜热型功能流体，粘度经验公式均适用，误差小于5.2%。对于微胶囊质量为10wt.%的潜热型功能流体，de Kruif经验公式适用度较高，最大计算误差不高于5.8%。质量分数为15wt.%时，流体的粘度明显激增，上述经验公式均不再适用。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1背景及意义

1.2相变材料的种类

1.2.1 有机相变材料

1.2.2 无机相变材料

1.2.3 复合相变材料

1.3微胶囊技术简介

1.3.1 相变微胶囊壁材

1.3.2 微胶囊制备方法

1.3.3 微胶囊应用

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

2 自组装法制备碳酸钙包覆正十九烷相变微胶囊

2.1 前言

2.2自组装法制备正十九烷/碳酸钙相变微胶囊原理

2.3.1 主要实验原料

2.3.2 主要实验仪器设备

2.3.3 不同芯壁比下正十九烷/碳酸钙相变微胶囊的制备工艺流程

2.3.4 不同转速下正十九烷/碳酸钙相变微胶囊的制备工艺流程

2.3.5 不同温度下正十九烷/碳酸钙相变微胶囊的制备工艺流程

2.3.6 不同乳化剂浓度下正十九烷/碳酸钙相变微胶囊制备工艺流程

2.4正十九烷/碳酸钙相变微胶囊的测试及表征

2.4.1 傅里叶红外光谱(FTIR)

2.4.2 X射线衍射(XRD)

2.4.3 扫描电子显微镜(SEM)

2.4.4 透射电子显微镜(TEM)

2.4.5 差示扫描量热仪(DSC)

2.4.6 激光粒度分布仪(LPS)

2.4.7 导热系数测试仪

2.4.8 热重分析仪(TG)

2.5 本章小结

3 正十九烷/碳酸钙相变微胶囊制备工艺参数优化

3.1 前言

3.2芯壁比对微胶囊制备的影响

3.3反应转速对微胶囊制备的影响

3.4反应温度对微胶囊制备的影响

3.5乳化剂浓度对微胶囊制备的影响

3.6正十九烷/碳酸钙相变微胶囊的热稳定性

3.7正十九烷/碳酸钙相变微胶囊的循环稳定性(

3.8 正十九烷/碳酸钙相变微胶囊的机械强度

3.9 本章小结

4 潜热型功能流体的制备及热物性能表征

4.1 前言

4.2潜热型功能流体的制备

4.2.1 主要实验原料

4.2.2 主要仪器设备

4.2.3 制备流程

4.3.1 密度

4.3.2 粒度分布

4.3.3 机械稳定性

4.3.4 相变特性

4.3.5 导热系数

4.3.6 粘度

4.4.1 功能流体的密度

4.4.2 功能流体的粒径分布

4.4.3 功能流体的机械稳定性

4.4.4 功能流体的相变特性

4.4.5 功能流体的导热系数

4.4.6 功能流体的粘度

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 本文创新点

5.3 展望

参考文献

作者简历

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