有机-无机复合定形相变储热材料的制备与性能研究

摘要

相变储热是利用材料在相变时吸收或放出的潜热来储存或释放能量。由于一些有机物质（硬脂酸、石蜡等）具有较高的储能密度、良好的热稳定性、相变过程近乎恒温、低膨胀性、无腐蚀性、无毒无害环保等优异的特性，在太阳能热储存、建筑节能、电子设备冷却、纺织品以及航空航天领域有着广泛的应用前景。但这些有机相变物质导热性差，而且在发生固液相变时会出现熔融态有机相变物质的泄漏现象。为解决这些显著问题，本文利用多孔氧化镁(MgO)和碳纳米管(CNTs)作为基体支撑材料，采用浸渍吸附法，制备了一系列有机-无机复合定形相变储热材料，通过对各种复合相变材料的微观结构和储放热性能的深入研究，不仅解决了导热性差和泄漏问题，而且实现了有机-无机复合相变材料的蓄-放热性能调控。本论文的主要研究内容如下:
　　1.采用简单的浸渍法，选取有机相变材料聚乙二醇(PEG-1000)作为复合相变材料工作介质，以具有超高表面积的多孔氧化镁(MgO)作为无机基体支撑材料，成功制取了PEG/MgO有机-无机复合定形相变材料，并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和BET比表面积及孔径分布测试等表征手段分别对多孔MgO和PEG/MgO复合相变材料的结构及形貌进行了表征分析。并利用差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TG)和泄漏测试测定了复合材料的相变温度、相变潜热、热稳定性能和形状稳定性能，通过红外光谱仪(FT-IR)对工作介质和基体材料之间的结合情况进行分析。表征结果显示MgO具有蜂窝状的多孔结构，比表面积高达596.16 m2/g，PEG均匀分散在MgO孔状网格中，复合材料具有较大的相变潜热(96.4 J/g)，经过多次循环后热性能无明显变化，相变材料PEG和基体材料MgO之间是简单的物理嵌合并无化学反应发生，并且相变过程中无渗漏现象发生。
　　2.选取有机相变材料硬脂酸(SA)为复合相变材料的工作介质，无机材料碳纳米管(CNTs)作为基体支撑材料，采用浸渍吸附法制备了SA/CNTs有机-无机复合定形相变材料。综合运用SEM、TEM、XRD、FT-IR、DSC等分析测试手段研究了复合相变材料的结构、形貌和热性能。结果表明:在界面相互作用和毛细管吸附下CNTs对液态SA具有较强的吸附固定作用，随着SA含量的增加，复合物的相变潜热逐渐增大(高达111.75 J/g)，且复合物的稳定性能及导热性能均得到较大改善。
　　3.基于相变材料的应用性能研究，采用简单的浸渍法，分别将石蜡和硬脂酸与棉花纤维复合，获得具有智能调温性能的新型复合棉。通过研究发现棉花纤维对相变材料具有良好的吸附性能，最大吸附率达90 wt％，且在80℃恒温条件下无明显渗漏现象发生。随着有机相变物质的含量增加，其储热量增大，石蜡复合棉和硬脂酸复合棉的储热量分别可高达112.9 J/g、172.7 J/g。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 热能储存方式及其特点

1．1．1 显热储能

1．1．2 潜热储能

1．1．3 化学反应热储能

1．1．4 吸附热储能

1．2 相变潜热存储技术研究背景及理论基础

1．2．1 研究背景

1．2．2 理论基础

1．3 相变储能材料的选择与分类

1．3．1 相变材料的优选依据

1．3．2 相变材料的种类

1．4 复合相变材料的制备方法

1．4．1 溶胶-凝胶法

1．4．2 原位聚合法

1．4．3 乳液聚合法

1．4．4 界面聚合

1．4．5 吸附法

1．4．6 浸渍法

1．4．7 液相插层法

1．4．8 其他制备方法

1．5 相变材料的主要应用领域

1．6 复合定形相变储能材料存在的问题及研究现状

1．6．1 主要存在问题

1．6．2 研究现状

1．7 本论文的选题意义及研究内容

1．7．1 选题意义

1．7．2 研究内容

1．7．3 论文创新点

第2章 聚乙二醇(PEG)／多孔氧化镁(MgO)定形相变复合材料的制备与储热性能研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料及仪器

2．2．2 实验制备

2．2．3 表征与测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 MgO的形貌和结构特征

2．3．2 PEG／MgO复合材料的结构及性能分析

2．4 本章小结

第3章 硬脂酸(SA)／碳纳米管(CNTs)复合相变材料的制备及性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及仪器

3．2．2 实验制备

3．2．3 表征与测试

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第4章 相变调温复合棉的制备及性质研究--相变材料的应用研究扩展

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料与仪器

4．2．2 相变调温棉的制备

4．3 相变调温棉的结构与性能分析

4．4 相变调温棉的有益效果

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

读研期间主要科研成果