二元有机/无机纳米复合相变储热材料的制备与性能研究

摘要

矿物能源的枯竭性危机和环境污染问题越来越受到人们的关注，提高能源使用效率和开发可再生能源是人类面临的重要课题之一。
　　 热能储存是提高能源利用率的重要手段之一，热能储存可用于解决热能供需之间在时间、空间上不匹配的矛盾。相变潜热储热是热能储存的重要方法之一，它在日常生活中的应用可以追溯到远古时代，但相变储热的基础理论和应用研究的兴起和发展只有几十年的历史。近年来，相变储热的研究和应用发展迅猛。我国在此方面的研究与一些发达国家相比还比较薄弱，尤其是在应用研究方面，仍有很多问题需要解决。
　　 本文首先对有机固-液相平衡进行了探讨和分析，并且对固-液平衡相图、相变潜热和节能效果进行了测定，为固-液相变储热材料的筛选提供了一种简单可行的操作方法。
　　 其次，本文针对一元有机相变材料的缺点和不足，开展了二元复合体系的研究。利用凝固点下降的理论原理，我们采用步冷曲线法测定了月桂醇-脂肪酸、脂肪酸-脂肪酸的二元固-液相平衡关系，绘制了这些体系的T-X相图。测定结果表明，这几组二元混合体系均为简单低共熔体系；同时结合DSC分析技术研究确定了二元复合体系低共熔物的组成、相变温度和相变焓。经过研究，这些低共熔点的相变混合物的相变温度均在所要求的温度范围内。
　　 接下来，我们利用季铵盐、三乙醇胺、氨基酸等非反应型有机改性剂对黏土进行了有机改性，并研究和探讨了实验的最佳条件。由无机改性黏土制备有机改性黏土的最佳实验条件为：黏土浓度为5％，搅拌时间为2.5h，改性温度为55℃，有机改性剂/黏土质量比为0.70。
　　 再次，我们利用插层复合法制备了二元有机/无机纳米复合相变储热材料，并对其制备工艺条件进行了系统的研究，并运用X-RD、FT-IR、SEM、TEM、DSC、TG、TC等对其进行了结构分析与性能表征。结果表明所得复合相变储热材料性能较为优越，较好地克服了纯相变储热材料的缺点和不足。并且对二元有机/无机纳米复合储热材料的简单改性进行了初步的探讨。
　　 最后，我们对制备的二元有机/无机纳米复合相变储热材料的储热能力的各种影响因素进行了探讨。制备有机/无机复合相变储热材料的最佳实验条件为：有机物的含量为55％～60％，制备复合时间为5h，制备复合温度为70～80℃，复合相变储热材料的粒度为60～120目。

目录

文摘

英文文摘

致谢

序

1 引言

1.1 储热材料概述

1.2 储热材料的研究背景与现状

1.2.1 显热储热材料

1.2.2 化学反应储热材料

1.2.3 潜热储热材料

1.3 相变储热材料概述

1.3.1 相变储热材料的分类

1.3.2 相变储热材料的特点

1.3.3 固-液相变储热材料的分类及特点

1.3.4 固-固相变储热材料的分类及特点

1.3.5 复合定形相变材料

1.3.6 相变储热材料的选择

1.4 固-液相变储热材料的复合方法

1.4.1 吸附法

1.4.2 熔融共混法

1.4.3 封装法

1.4.4 溶胶-凝胶法

1.4.5 压制烧结法

1.4.6 插层法

1.5 固-液相变储热材料的应用领域

1.5.1 太阳能储存

1.5.2 医药工业

1.5.3 生态建筑业

1.5.4 服装纺织品

1.5.5 现代农业

1.5.6 工业余热

1.5.7 电子仪器

1.5.8 汽车工业

1.6 相变储热材料的研究现状

1.6.1 相变储热材料的国外研究状况

1.6.2 相变储热材料的国内研究状况

1.7 相变储热材料存在的问题

1.8 本课题的来源、目的、意义及主要研究内容

2 相变储热材料的热力学基础

2.1 引言

2.2 相图在相变过程研究中的重要性

2.3 相律

2.3.1 基本概念

2.3.2 相律的表达式

2.4 相图与不同晶系的分析

2.4.1 单元系相图

2.4.2 二元系相图

2.5 相图的应用

2.6 具有低共熔点的二元体系的结晶过程

2.7 复合相变储热材料制备中的热力学分析

3 实验条件选择

3.1 建筑材料中相变储热材料的应用

3.2 相变储热材料的选择

3.2.1 固-液相变储热材料的选择

3.2.2 一元相变储热材料的选择

3.2.3 二元相变材料的选择

3.3 有机/无机复合方法的选择

3.4 无机层状化合物的选用

3.4.1 无机层状化合物的结构特点

3.4.2 无机层状化合物的类型

3.4.3 几种典型的层状化合物

3.4.4 黏土的选用

3.5 有机改性剂的选择

3.6 插层化合物的制备方法

3.7 有机/无机复合相变储热材料的测试方法

3.7.1 微观表征

3.7.2 热性能表征

3.7.3 力学性能表征

4 二元有机/无机复合相变储热材料的制备及性能表征

4.1 实验试剂及仪器

4.1.1 实验试剂

4.1.2 实验仪器

4.2 实验基本流程与方法

4.3 天然黏土的提纯和无机改性

4.3.1 天然黏土的提纯

4.3.2 黏土的无机改性

4.4 黏土的有机改性

4.4.1 季铵盐改性

4.4.2 三乙醇胺改性

4.4.3 氨基酸改性

4.5 有机相变材料的选择

4.5.1 一元相变材料的选择

4.5.2 二元相变材料的选择

4.6 二元有机/无机复合相变储热材料的制备

4.6.1 简单复合

4.6.2 PVA改性复合

4.6.3 十八烷调节复合

4.7 有机/无机复合相变储热材料的性能表征

4.7.1 微观结构表征

4.7.2 热性能表征

4.7.3 力学性能表征

5 结果与讨论

5.1 天然黏土的提纯和钠化

5.1.1 天然黏土矿物材料的晶体结构特征

5.1.2 天然黏土的提纯

5.1.3 黏土的钠化

5.2 黏土的有机改性

5.2.1 有机改性剂的选择

5.2.2 季铵盐改性

5.2.3 三乙醇胺改性

5.2.4 氨基酸改性

5.2.5 有机改性后的黏土X-RD特征

5.2.6 有机改性后的黏土的FT-IR特征

5.2.7 有机改性后的黏土的TEM特征

5.2.8 有机改性后的黏土的TG特征

5.3 有机相变材料的选择

5.3.1 一元相变材料的选择

5.3.2 二元混合相变材料的选择

5.4 二元有机/无机复合相变储热材料的制备及性能表征

5.4.1 简单复合

5.4.2 PVA改性复合

5.4.3 十八烷调节复合

6 复合相变储热材料储热性能研究

6.1 复合相变储热材料储热性能与制备条件的研究

6.1.1 有机相变材料含量与复合相变储热材料储热能力的关系

6.1.2 复合材料粒度与复合相变储热材料储热能力的关系

6.1.3 复合时间与复合相变储热材料储热能力的关系

6.1.4 复合温度与复合相变储热材料储热能力的关系

6.2 复合相变储热材料储热性能的研究

6.3 复合相变储热材料储放热多次循环后储热性能的研究

6.4 小结

7 结论

参考文献

作者简历

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