三元低共熔脂肪酸復(fù)合相變材料的制備及熱性能研究.pdf

1、脂肪酸類相變材料具有高熔融潛熱、過(guò)冷度低、無(wú)毒、穩(wěn)定性好、與建筑材料相容性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于建筑節(jié)能，可有效降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，改善室內(nèi)環(huán)境的舒適性，成為建筑節(jié)能領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。脂肪酸類相變材料研究目前主要集中在單一及二元低共熔脂肪酸，對(duì)三元低共熔脂肪酸相變材料研究甚少。
　　本文以單一脂肪酸為原料，制備三元低共熔脂肪酸，研究其固-液相變動(dòng)力學(xué)和熱性能;以三元低共熔脂肪酸為相變材料，有機(jī)改性蒙脫土、膨脹石墨為基質(zhì)，制備免封裝多孔（層

2、）復(fù)合相變材料，對(duì)其熱性能進(jìn)行研究;以三元低共熔脂肪酸/膨脹石墨復(fù)合相變材料、建筑石膏粉為原料，制備相變石膏板，并用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)法對(duì)其傳熱性能進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。研究結(jié)果如下:
　　(1)選取5種單一脂肪酸，按三元復(fù)配獲得10種三元低共熔脂肪酸，使用DSC分析三元低共熔物的相變溫度和相變潛熱，篩選出3種滿足建筑節(jié)能要求的三元低共熔脂肪酸的組合與質(zhì)量配比:CA（癸酸）-MA（肉豆蔻酸）-PA（棕櫚酸）=7∶2∶1、CA-MA-SA（硬

3、脂酸）=7∶2∶1和CA-PA-SA=8∶1∶1;據(jù)熱力學(xué)第二定律和最低共熔理論，計(jì)算出三元低共熔脂肪酸質(zhì)量配比為CA-MA-PA=7.31∶1.94∶0.75、CA-MA-SA=7.09∶1.88∶1.03、CA-PA-SA=7.70∶1.15∶1.15。比較后發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值非常接近，理論計(jì)算方法可用于三元低共熔脂肪酸相變材料的組合和質(zhì)量配比的選擇。
　　對(duì)三元低共熔脂肪酸的性質(zhì)與性能進(jìn)行了研究。FT-IR譜圖顯示脂肪酸分子

4、間僅是氫鍵的二締合，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。熱重分析發(fā)現(xiàn)三元低共熔物在100℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性。500次熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果:CA-MA-PA; CA-MA-SA; CA-PA-SA相變溫度和相變潛熱變化了-0.88％，0.06％;-0.78％，1.77％;-0.08％，1.57％，三元低共熔物具有良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性。蓄/放熱試驗(yàn)和溫度阻尼率表明三元低共熔物具有較好的溫度調(diào)控作用，滿足建筑相變節(jié)能材料性能的要求。但三元低共熔脂肪酸是固-液相變

5、材料，固-液相變時(shí)會(huì)發(fā)生液態(tài)的宏觀流動(dòng)，不宜直接應(yīng)用于建筑節(jié)能材料。
　　根據(jù)Kissinger動(dòng)力學(xué)法計(jì)算三元低共熔脂肪酸固-液相變活化能Ea在250～350kJ·mol-1，相關(guān)系數(shù)平方R2＞0.97，ln(β/T2p)與(1/Tp)線形關(guān)系顯著。三元低共熔脂肪酸固-液相變的反應(yīng)級(jí)數(shù)均為1左右，說(shuō)明三元低共熔脂肪酸固-液相變反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)。
　　(2)以三元低共熔脂肪酸為相變材料，有機(jī)改性蒙脫土(OMMT)為支撐材料，制

6、備三元低共熔脂肪酸/OMMT復(fù)合相變材料，確定3種復(fù)合相變材料的最佳質(zhì)量配比:CA-MA-PA∶OMMT=7∶3，相變溫度和相變潛熱分別為21.06℃和103.40 J·g-1;CA-MA-SA∶OMMT=7∶3，相變溫度和相變潛熱分別為20.14℃和89.14 J·g-1; CA-PA-SA∶OMMT=6∶4，相變溫度和相變潛熱分別為24.56℃和91.81 J·g-1。
　　FT-IR和X-RD測(cè)試結(jié)果表明，三元低共熔脂肪酸與

7、OMMT只是簡(jiǎn)單的嵌合關(guān)系;SEM觀察到復(fù)合相變材料呈厚片層狀，片層邊緣鈍化，且片層間有明顯粘連團(tuán)聚現(xiàn)象，與OMMT電鏡圖對(duì)比，可觀察到復(fù)合相變材料中的三元低共熔脂肪酸與OMMT有較好的相容性;蓄/放熱試驗(yàn)和溫度阻尼率表明3種三元低共熔脂肪酸/OMMT復(fù)合相變材料具有較好的溫度調(diào)控作用;TG實(shí)驗(yàn)表明，CA-MA-SA/OMMT的質(zhì)量損失主要來(lái)源于CA-MA-SA的熱分解失重，因OMMT對(duì)CA-MA-SA起保護(hù)作用，主要失重溫度區(qū)間向高溫

8、移動(dòng)11℃，CA-MA-SA/OMMT在120℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性;CA-PA-SA/OMMT的相變溫度和相變潛熱在經(jīng)歷500次冷熱循環(huán)后變化幅度在0.05％以內(nèi)，說(shuō)明其長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好;CA-MA-SA/OMMT的導(dǎo)熱系數(shù)為0.352 W·m-1·K-1，較CA-MA-SA的導(dǎo)熱系數(shù)低。
　　研究了CA-MA-SA/OMMT的固-液反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，Ea=14.22 kJ·mol-1，驗(yàn)證CA-MA-SA和OMMT間是嵌合關(guān)系，室溫

9、即可進(jìn)行;根據(jù)峰形指數(shù)求得反應(yīng)級(jí)數(shù)在1.16～1.20，CA-MA-SA/OMMT固-液反應(yīng)級(jí)數(shù)是1.2。
　　(3)以三元低共熔脂肪酸為相變材料，膨脹石墨為支撐材料，通過(guò)真空吸附法制備三元低共熔脂肪酸/膨脹石墨(EG)復(fù)合相變材料，3種三元低共熔脂肪酸與EG的最佳質(zhì)量配比均為13∶1，相變潛熱121.75～143.64 J·g-1，與理論計(jì)算潛熱值十分接近。
　　FT-IR和X-RD測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合相變材料中相變材料和E

10、G間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是物理共混體系;SEM觀察到石墨膨化后生成豐富網(wǎng)狀微孔的蠕蟲(chóng)狀EG，三元低共熔脂肪酸均勻的分布在EG的多孔結(jié)構(gòu)中，二者相容性好;蓄/放熱試驗(yàn)和溫度阻尼率表明3種三元低共熔脂肪酸/EG復(fù)合相變材料具有較好的溫度調(diào)控作用;TG實(shí)驗(yàn)表明，CA-PA-SA/EG的質(zhì)量損失主要來(lái)源于CA-PA-SA的熱分解失重，因EG對(duì)CA-PA-SA起保護(hù)作用，主要失重溫度區(qū)間向高溫移動(dòng)20℃，CA-PA-SA/EG在130℃以下具有良好

11、的熱穩(wěn)定性;500次冷熱循環(huán)后，復(fù)合相變材料的熱物性無(wú)明顯衰減，相變溫度變化±1℃，相變潛熱變化±2％，證明其長(zhǎng)期穩(wěn)定性可靠;CA-MA-PA/EG、CA-MA-SA/EG和CA-PA-SA/EG的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.64 W·m-1·K-1、1.38 W·m-1·K-1和1.87W·m-1·K-1，較三元低共熔脂肪酸的導(dǎo)熱系數(shù)提高298％。
　　三元低共熔脂肪酸/EG復(fù)合相變材料的固-液相變動(dòng)力學(xué)，Ea=9.038 kJ·mol-

12、1，驗(yàn)證三元低共熔脂肪酸和EG間是物理吸附，不是化學(xué)吸附(Ea＞85 kJ·mol-1)，室溫即可快速進(jìn)行;由峰形指數(shù)求得反應(yīng)級(jí)數(shù)在1左右，三元低共熔脂肪酸/EG復(fù)合相變材料的固-液相變是按一級(jí)反應(yīng)進(jìn)行。
　　(4)以高導(dǎo)熱系數(shù)CA-PA-SA/EG和建筑石膏粉為原料，采用直接加入法制備相變石膏板，添加4％的玻璃纖維增強(qiáng)相變石膏板的強(qiáng)度。DSC測(cè)試結(jié)果表明，10％摻量相變石膏板的相變溫度22.53℃，相變潛熱14.20 J·g-1

13、，且隨著摻量的增大，相變溫度和相變潛熱增大，當(dāng)摻量超過(guò)30％后，石膏板易碎裂。抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)表明，隨著復(fù)合相變材料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度下降。結(jié)合相變潛熱和抗壓強(qiáng)度，選取復(fù)合相變材料的摻量為20％。
　　基于ANSYS軟件建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)相變石膏板的相變過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬計(jì)算結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，可以采用數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)預(yù)測(cè)。當(dāng)熱源或冷源在相變石膏板的左右兩側(cè)時(shí)，相變石膏板的溫度升高達(dá)到相變溫度時(shí)，

14、相變房間的溫度波動(dòng)幅度小，并在一定溫度下延續(xù)一段時(shí)間。當(dāng)熱源或冷源在相變石膏板頂端時(shí)，因相變房間和普通房間的環(huán)境溫度迅速被加熱，相變石膏板對(duì)周?chē)鷾囟鹊挠绊懖伙@著，但相變石膏板對(duì)比石膏板有明顯差異。
　　實(shí)驗(yàn)考察不同摻量(10％、20％、30％)相變石膏板的蓄/放熱性能，隨著復(fù)合相變材料摻量的增加，相變石膏板對(duì)環(huán)境溫度的影響越大，即控溫能力越強(qiáng)，調(diào)控時(shí)間越長(zhǎng)。溫度阻尼系數(shù)γ，在17.26％～84.66％，隨著CA-PA-SA/EG摻