棕榈酸/炭材料相变复合材料的制备及性能研究

摘要

通过相态变化将热能储存与释放的相变材料可以提高能量利用效率、解决能量在时间与空间上的不匹配，有助于解决能源短缺、环境污染等世界性难题，被认为具有极大的利用价值。与此相对应，来源丰富、应用范围广泛且拥有较高热导率的炭材料被认为是21世纪最具有前景的材料之一。因此，将炭材料与相变材料联用，以此解决相变材料热导率低的方法已经成为当前研究的热点。
　　本文选用可大量产自于农副产品并应用于太阳能低温储能的棕榈酸作为相变材料，分别采用将棕榈酸封装于介孔活性炭中并向此复合材料中添加高热导率石墨粉的方法增强热导率、将棕榈酸封装于高热导率的膨胀石墨中、向棕榈酸中添加碳纳米管增强基体的热导率。以期获得具有较高热导率、相变潜热以及较好热稳定性的复合材料。
　　(1)采用具有三维多孔结构的介孔活性炭为载体，通过物理共混浸渍法制备了一系列不同质量比的棕榈酸/活性炭相变材料。通过对活性炭孔隙结构的研究、复合材料结构分析以及复合材料的DSC对比分析，得出了活性炭与棕榈酸发生的反应导致了复合材料较低的相变潜热效率以及熔点的降低。与此同时，本章通过热循环实验验证了棕榈酸与活性炭之间55/45的质量比是最佳的。此复合材料相变潜热为78.2 J/g，100次热循环之后未发生泄漏，相变潜热维持率高达99.0％。向此复合材料中添加质量分数为1％的石墨粉后制得了棕榈酸/活性炭/石墨相变复合材料，其相变潜热为76.9 J/g，热导率为0.354 W/m K，相对于棕榈酸提高了65.4％。
　　(2)采用具有三维多孔结构的膨胀石墨为载体，通过物理共混浸渍法制备了一系列不同质量比的棕榈酸/膨胀石墨相变复合材料。通过对不同质量分数的复合材料进行的多次热循环实验，得出了棕榈酸与膨胀石墨之间6∶1的质量比是最佳的。该复合材料相变潜热为169.7 J/g，经过100次热循环之后未发生泄漏，相变潜热高达维持率高达98.9％。非常值得一提的是，膨胀石墨将相变材料的热导率由0.214 W/m k提升到了2.465 W/m k，热导增强率高达10.5倍。
　　(3)采用氧化后接枝γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的方法处理碳纳米管，并分别将碳纳米管、氧化碳纳米管及接枝碳纳米管分散入棕榈酸基体中制备管/基质量比为1/100的相变复合材料。通过对三种相变复合材料的红外、形貌、分散度、相变潜热的综合对比分析，得出了接枝碳纳米管在基体中分散度最高，与基体之间结合力最大，故其复合材料相变潜热值最高，高达201.7 J/g。更值得一提的是，与棕榈酸相比，含接枝碳纳米管的复合材料相变潜热较高并且热导率提升了34.1％。此外，在经过100个热循环后，接枝碳纳米管仍未从液态的棕榈酸中析出，复合材料相变潜热维持率高达98.5％。
　　(4)对上述三章中最佳配比的复合材料中炭材料与棕榈酸之间相互作用的调控，实现了对复合材料相变潜热的调控。并得出了三种复合材料中拥有较高相变潜热、热稳定性以及热导率得到增强的PA/G-CNTs综合性能是最佳的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 相变材料

1．2．1 相变材料的分类

1．2．2 相变材料的应用

1．2．3 相变材料的筛选原则

1．2．4 相变复合材料的研究

1．3 炭材料及其在相变材料中的应用

1．4 选题意义及研究内容

第2章 棕榈酸／活性炭相变复合材料的制备及性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．2．3 PA／AC复合材料的制备

2．2．4 PA／AC复合材料热稳定性实验

2．2．5 分析测试与性能表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 AC孔隙结构研究

2．3．2 PA／AC复合材料热稳定性研究

2．3．3 PA／AC的结构研究

2．3．4 复合材料相变潜热及热导率研究

2．4 本章小结

第3章 棕榈酸／膨胀石墨相变复合材料的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验设备

3．2．3 样品制备

3．2．4 PA／EG复合材料热稳定性实验

3．2．5 分析测试与性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 PA／EG复合材料热稳定性研究

3．3．2 EG及PA／EG复合材料结构分析

3．3．4 PA／EG复合材料热性能研究

3．4 本章小结

第4章 棕榈酸／碳纳米管相变复合材料的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验设备

4．2．3 样品制备

4．2．4 复合材料热稳定性实验

4．2．5 分析测试及性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 PA及复合材料的微观形貌分析

4．3．2 PA及复合材料的化学结构分析

4．3．3 PA及复合材料的热导率及相变潜热对比研究

4．3．4 复合材料的热稳定性对比研究

4．4 本章小结

第5章 棕榈酸／炭材料相变复合材料性能对比研究

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 对复合材料相变潜热的调控

5．2．2 复合材料热性能综合对比

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文