聚乙二醇正十六烷基醚接枝氧化石墨烯相变材料的制备及性能研究

摘要

聚乙二醇正十六烷基醚(EnC16)通常用作非离子型表面活性剂，本课题组率先将其作为一种相变材料使用，因其具有高的储热密度、等温操作特性和极好的热稳定温度等特点。然而，它却是一种典型的固-液相变材料，在相变过程中直接利用容易发生泄漏等问题。氧化石墨烯(GO)是一种二维层状结构的碳材料，它因为具有优异的物理化学性能，得到了研究者广泛的青睐而被应用于各个领域的研究。
　　本实验主要分为三个部分，第一部分主要制备了二乙二醇正十六烷基醚-g-氧化石墨烯(E2C16-g-GO)固-固相变材料。以二乙二醇正十六烷基醚(E2C16)为功能物质，在N,N-二环己基碳二亚胺/4-二甲氨基吡啶(DCC/DMAP)催化体系下通过酯化反应接枝到GO纳米片上制备了固-固相变材料，研究表征了不同配比(E2C16∶GO=2∶1-7∶1mass％)和不同反应时间(3h、6h、9h、12h、15h)对产物热性能的影响，确定了最优的反应参数和制备了最佳的产物。第二部分则选择不同重复单元数(n=2、10、20)的EnC16作为功能物质与GO发生酯化反应，制备了聚乙二醇正十六烷基醚-g-氧化石墨烯（EnC16-g-GO）相变材料，研究了不同重复单元数n对产物结构与性能的影响。第三部分以GO为载体物质，以E2C16为功能物质，通过酯化反应制备一系列E2C16/GO复合相变材料。这种复合相变材料中既有E2C16-g-GO固-固相变材料又有E2C16固-液相变材料。其中E2C16-g-GO固-固相变材料不仅作为支撑材料而且也作为工作物质。探究了不同GO投料量(0％、0.5％、1％、1.5％、2％、4％、6％)对E2C16/GO复合相变材料结晶性能和相变性能的影响，研究了E2C16-g-GO和E2C16之间的协同相变效应。利用傅里叶变换红外(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)等测试仪器和表征方法对其结构和性能进行了表征。
　　结果表明，当E2C16和GO质量比为6∶1，反应时间为6h时，我们制备了热性能最佳的E2C16-g-GO固-固相变材料，它具有适宜的相变温度和较高的相变热焓。熔融温度和结晶温度分别为43.3℃和29.4℃。熔融焓和结晶焓分别为70J/g和72J/g。而且，E2C16-g-GO不仅具有很好的热稳定性和形状稳定性，还具有极好的热可靠性和结构稳定性，对长期储热应用有着积极意义。而将不同重复单元数的EnC16共价接枝到GO纳米片上，我们制备了EnC16-g-GO相变材料(GEn)，它的结晶行为和热性能受EnC16重复单元数n的影响。当n=2时，GE2接枝共聚物的结晶以正十六烷基链结晶为主，表现出较高的相变热焓和较好的热稳定性;当n≥10时，GEn接枝共聚物的结晶逐渐以乙二醇重复单元链结晶为主，并且两种结晶链段存在结晶竞争，使得它的热相变性能也明显降低。在以GO为载体材料，E2C16为功能材料制备的E2C16/GO复合相变材料(FPCMs)中，不仅有通过酯化反应接枝到GO表面制备的E2C16-g-GO固-固相变材料，还有通过物理吸附在GO表面的E2C16固-液相变材料。而其中，E2C16-g-GO固-固相变材料不仅作为支撑材料，而且也作为功能相变材料。我们制备的FPCMs具有较高的热焓，并且E2C16-g-GO和E2C16的协同相变实现了FPCMs的高潜热效率，比传统定形相变材料具有更高储热能力。此外，FPCMs表现出很好的热稳定性和可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2．1 相变材料定义及原理

1．2．2 相变材料的分类

1．2．3 复合相变材料的制备

1．2．4 相变材料的应用

1．3 氧化石墨烯概述

1．3．1 氧化石墨烯的制备方法

1．3．2 氧化石墨烯的结构和性能

1．3．3 氧化石墨烯的功能化修饰

1．3．4 氧化石墨烯的应用

1．4 课题意义及研究内容

1．4．1 课题意义

1．4．2 研究内容

第二章 二乙二醇正十六烷基醚-g-氧化石墨烯固-固相变材料的制备及性能研究

2．1 引言

2．2 实验试剂与仪器

2．2．1 化学试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 实验部分

2．3．1 氧化石墨烯的制备

2．3．2 E2C16-g-GO固-固相变材料的制备

2．4 测试与表征

2．4．1 傅里叶变换红外光谱分析

2．4．6 拉曼光谱分析

2．4．7 差示扫描量热分析

2．4．8 热重分析

2．4．10 热可靠性和结构稳定性测试

2．5 结果与讨论

2．5．1 不同配比下 E2C16-g-GO的红外光谱分析

2．5．2 不同配比下E2C16-g-GO的差示扫描量热分析

2．5．3 不同配比下E2C16-g-GO的热重分析

2．5．4 不同反应时间下E2C16-g-GO的红外光谱分析

2．5．5 不同反应时间下E2C16-g-GO的差示扫描量热分析

2．5．6 E2C16-g-GO的X射线光电子能谱分析

2．5．7 E2C16-g-GO的微观形貌分析

2．5．8 E2C16-g-GO的拉曼光谱分析

2．5．9 E2C16-g-GO的X射线衍射分析

2．5．10 E2C16-g-GO的热重分析

2．5．11 E2C16-g-GO的形状稳定性

2．5．12 E2C16-g-GO的热可靠性和结构稳定性

2．6 本章小结

第三章 不同重复单元数的聚乙二醇正十六烷基醚-g-氧化石墨烯相变材料的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验试剂与仪器

3．2．1 化学试剂

3．2．2 实验仪器

3．3 实验部分

3．4 测试与表征

3．4．1 傅里叶变换红外光谱分析

3．4．2 X射线衍射分析

3．4．3 透射电子显微镜

3．4．4 拉曼光谱分析

3．4．5 差示扫描量热分析

3．4．6 热重分析

3．5 结果与讨论

3．5．2 EnC16-g-GO的拉曼光谱分析

3．5．3 EnC16-g-GO的微观形貌分析

3．5．4 EnC16-g-GO的结晶性能分析

3．5．5 EnC16-g-GO的差示扫描量热分析

3．5．6 EnC16-g-GO的热重分析

3．6 本章小结

第四章 二乙二醇正十六烷基醚／氧化石墨烯复合相变材料的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验试剂与仪器

4．2．1 化学试剂

4．2．2 实验仪器

4．3 实验部分

4．4 测试与表征

4．4．1 傅里叶变换红外光谱分析

4．4．2 X射线衍射分析

4．4．3 扫描电子显微镜

4．4．4 透射电子显微镜

4．4．5 拉曼光谱分析

4．4．6 差示扫描量热分析

4．4．7 热重分析

4．4．8 形状稳定性测试

4．5．1 E2C16／GO复合相变材料的红外光谱分析

4．5．2 E2C16／GO复合相变材料的拉曼光谱分析

4．5．3 E2C16／GO复合相变材料的微观形貌分析

4．5．4 E2C16／GO复合相变材料的差示扫描量热分析

4．5．5 E2C16／GO复合相变材料的X射线衍射分析

4．5．6 E2C16／GO复合相变材料的热重分析

4．5．7 E2C16／GO复合相变材料的形状稳定性

4．5．8 E2C16／GO复合相变材料的热可靠性和结构稳定性

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 研究结论

5．2 问题与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢