聚乙二醇基復合儲熱材料的制備、性能及其相變傳熱過程研究.pdf

1、相變儲熱技術具有儲熱密度大和儲熱過程近似恒溫的優(yōu)點，在太陽能熱利用、電子器件熱保護以及建筑節(jié)能等方面具有廣闊的應用前景。聚乙二醇(PEG)是目前最受關注的相變材料之一，具有相變潛熱大、相變溫度范圍廣、物化性能穩(wěn)定和安全環(huán)保等優(yōu)點，但其在實際應用中仍存在導熱性能差和液相泄漏問題。本文提出采用材料復合技術對其進行改性，篩選兩類不同結構特征的石墨材料為導熱強化相，分別制備了PEG/膨脹石墨(EG)和PEG/納米石墨片(GnPs)復合相變材料；

2、研究了復合材料組成、結構與熱物性能之間的關系及其動力學機理；在此基礎上設計并制備了新型復合定形相變材料；同時對所制備復合材料的相變傳熱過程進行了實驗測量研究，基于傳熱性能評價結果反饋指導了復合相變材料的組分優(yōu)化設計。
　　 以多孔結構EG為導熱強化相，采用真空浸滲工藝制備了PEG/EG復合相變材料，綜合運用FE-SEM、XRD、FT-IR、POM和DSC等手段研究了復合相變材料的形貌、結構和熱物性能。結果表明：EG豐富的孔結構對

3、液態(tài)PEG具有較強的吸附固定作用，當EG含量為8wt.％時可以獲得定形相變材料；隨著EG含量的增加，PEG基體中逐步形成了完善的導熱網(wǎng)絡結構，復合相變材料的導熱系數(shù)逐漸增大，EG含量為10wt.％的復合相變材料導熱系數(shù)較純PEG提高了19.4倍；但是當EG含量超過6wt.％后，其微孔結構對PEG分子鏈段熱擴散運動的阻礙作用加劇，導致復合相變材料相變溫度和相變焓的顯著下降，EG含量為10wt.％的復合相變材料熔點(Tm)和凝固點(Tf)分

4、別由純PEG的50.9和35.7℃降低至41.8和21.5℃，而其融化焓(△Hm)和凝固焓(△Hf)則分別僅為理論值的67.4％和73.6％。
　　 超聲粉碎處理EG獲得了形狀比為300～800倍的GnPs，以之為導熱強化相，采用真空浸滲工藝制備了PEG/GnPs復合相變材料，并對其形貌、結構和熱物性能進行了研究。結果表明：超聲粉碎處理對石墨物相結構及表面化學特性基本沒有影響；GnPs較大的形狀比令其較易均勻分散在聚合物基體中并

5、形成導熱網(wǎng)絡，GnPs含量為10wt.％的復合相變材料導熱系數(shù)較純PEG提高了10.8倍；與PEG/EG復合相變材料相比，PEG/GnPs復合體系的相變溫度變化更小，相變焓更接近其理論計算值。
　　 針對不同結構特征石墨材料對PEG相變參數(shù)影響的差異性，采用DSC研究了純PEG及復合相變材料的非等溫相變過程動力學。結果顯示：復合相變材料的表觀活化能均高于純PEG，表明EG與GnPs對PEG分子鏈段熱擴散運動均具有一定的限制作用；

6、與GnPs相比，相同質(zhì)量分數(shù)的EG使復合體系表觀活化能的增加幅度更大，表明EG微孔結構較GnPs片層結構對PEG分子鏈段熱擴散運動的阻礙作用更強。
　　 基于相變動力學分析結果，選取GnPs為導熱強化相，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為結構支撐材料，采用超聲輔助原位聚合工藝制備了新型PEG/PMMA/GnPs復合定形相變材料。FE-SEM與POM結果顯示，PEG被均勻吸附固定在PMMA網(wǎng)絡結構中，該復合方式在保證復合定形相變材料

7、相變過程中無液態(tài)PEG泄露的同時為其提供了一定的力學性能。XRD與FT-IR結果表明，各組分在復合工藝過程中以物理形式結合。超聲輔助原位聚合工藝能使GnPs有效分散在聚合物基體中并形成導熱網(wǎng)絡，GnPs含量為8wt.％的復合定形相變材料導熱系數(shù)較PEG/PMMA提高了8.4倍。所制備復合定形相變材料均具備可觀的儲熱能力和定形性能，當GnPs含量為8wt.％時，復合定形相變材料的△Hm和△Hf分別達到114.7 kJ·kg-1和97.0

8、kJ·kg-1，55℃時其抗壓強度達到3.7 MPa，75次相變循環(huán)后質(zhì)量損失率僅為2.5％。
　　 采用時間-溫度法對純PEG及PEG/EG復合相變材料的相變傳熱過程進行了實驗研究，基于實測結果評價了復合改性對相變材料使用性能的影響。結果表明：純PEG在相變傳熱過程中存在顯著的自然對流效應；多孔結構EG能有效吸附固定液態(tài)PEG，限制自然對流作用；EG能顯著提高復合相變材料的導熱系數(shù)，降低相變傳熱過程中的熱阻，有效提高復合相變材

9、料的相變傳熱速率；PEG/EG復合相變材料中，EG的優(yōu)化含量約為6～8wt.％。
　　 綜上所述，本論文分別開展了PEG基復合相變材料的設計與制備，復合材料的微觀結構、熱物性能和相變動力學機理等方面的研究。研究結果對改善PEG使用性能并促進其實際應用具有一定的參考價值；其中關于PEG/石墨復合相變材料相變動力學機理的研究對理解復合體系中的非常規(guī)相變機制具有較大的幫助；另外，關于復合材料相變傳熱過程的實驗研究能有效評價復合改性的效