三元低共熔脂肪酸復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、過冷度低、無毒、穩(wěn)定性好、與建筑材料相容性好等優(yōu)點，應用于建筑節(jié)能，可有效降低室內溫度波動，改善室內環(huán)境的舒適性，成為建筑節(jié)能領域研究熱點之一。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-液相變動力學和熱性能;以三元低共熔脂肪酸為相變材料，有機改性蒙脫土、膨脹石墨為基質，制備免封裝多孔（層

2、）復合相變材料，對其熱性能進行研究;以三元低共熔脂肪酸/膨脹石墨復合相變材料、建筑石膏粉為原料，制備相變石膏板，并用數值模擬和實驗法對其傳熱性能進行模擬和驗證。研究結果如下:
　　(1)選取5種單一脂肪酸，按三元復配獲得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;據熱力學第二定律和最低共熔理論，計算出三元低共熔脂肪酸質量配比為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)現實驗值和計算值非常接近，理論計算方法可用于三元低共熔脂肪酸相變材料的組合和質量配比的選擇。
　　對三元低共熔脂肪酸的性質與性能進行了研究。FT-IR譜圖顯示脂肪酸分子

4、間僅是氫鍵的二締合，沒有發(fā)生化學反應。熱重分析發(fā)現三元低共熔物在100℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性。500次熱循環(huán)試驗結果: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/放熱試驗和溫度阻尼率表明三元低共熔物具有較好的溫度調控作用，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-液相變時會發(fā)生液態(tài)的宏觀流動，不宜直接應用于建筑節(jié)能材料。
　　根據Kissinger動力學法計算三元低共熔脂肪酸固-液相變活化能Ea在250～350kJ·mol-1，相關系數平方R2＞0.97，ln(β/T2p)與(1/Tp)線形關系顯著。三元低共熔脂肪酸固-液相變的反應級數均為1左右，說明三元低共熔脂肪酸固-液相變反應是一級反應。
　　(2)以三元低共熔脂肪酸為相變材料，有機改性蒙脫土(OMMT)為支撐材料，制

6、備三元低共熔脂肪酸/OMMT復合相變材料，確定3種復合相變材料的最佳質量配比: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測試結果表明，三元低共熔脂肪酸與

7、OMMT只是簡單的嵌合關系;SEM觀察到復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聚現象，與OMMT電鏡圖對比，可觀察到復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/放熱試驗和溫度阻尼率表明3種三元低共熔脂肪酸/OMMT復合相變材料具有較好的溫度調控作用;TG實驗表明，CA-MA-SA/OMMT的質量損失主要來源于CA-MA-SA的熱分解失重，因OMMT對CA-MA-SA起保護作用，主要失重溫度區(qū)間向高溫

8、移動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歷500次冷熱循環(huán)后變化幅度在0.05％以內，說明其長期穩(wěn)定性良好;CA-MA-SA/OMMT的導熱系數為0.352 W·m-1·K-1，較CA-MA-SA的導熱系數低。
　　研究了CA-MA-SA/OMMT的固-液反應動力學，Ea=14.22 kJ·mol-1，驗證CA-MA-SA和OMMT間是嵌合關系，室溫

9、即可進行;根據峰形指數求得反應級數在1.16～1.20，CA-MA-SA/OMMT固-液反應級數是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，通過真空吸附法制備三元低共熔脂肪酸/膨脹石墨(EG)復合相變材料，3種三元低共熔脂肪酸與EG的最佳質量配比均為13∶1，相變潛熱121.75～143.64 J·g-1，與理論計算潛熱值十分接近。
　　FT-IR和X-RD測試結果表明，復合相變材料中相變材料和E

10、G間沒有發(fā)生化學反應，是物理共混體系;SEM觀察到石墨膨化后生成豐富網狀微孔的蠕蟲狀EG，三元低共熔脂肪酸均勻的分布在EG的多孔結構中，二者相容性好;蓄/放熱試驗和溫度阻尼率表明3種三元低共熔脂肪酸/EG復合相變材料具有較好的溫度調控作用;TG實驗表明，CA-PA-SA/EG的質量損失主要來源于CA-PA-SA的熱分解失重，因EG對CA-PA-SA起保護作用，主要失重溫度區(qū)間向高溫移動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，復合相變材料的熱物性無明顯衰減，相變溫度變化±1℃，相變潛熱變化±2％，證明其長期穩(wěn)定性可靠;CA-MA-PA/EG、CA-MA-SA/EG和CA-PA-SA/EG的導熱系數分別為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熱系數提高298％。
　　三元低共熔脂肪酸/EG復合相變材料的固-液相變動力學，Ea=9.038 kJ·mol-

12、1，驗證三元低共熔脂肪酸和EG間是物理吸附，不是化學吸附(Ea＞85 kJ·mol-1)，室溫即可快速進行;由峰形指數求得反應級數在1左右，三元低共熔脂肪酸/EG復合相變材料的固-液相變是按一級反應進行。
　　(4)以高導熱系數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％的玻璃纖維增強相變石膏板的強度。DSC測試結果表明，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，當摻量超過30％后，石膏板易碎裂?？箟簭姸葘嶒灡砻?，隨著復合相變材料摻量的增加，抗壓強度下降。結合相變潛熱和抗壓強度，選取復合相變材料的摻量為20％。
　　基于ANSYS軟件建立數學模型，對相變石膏板的相變過程進行模擬分析，并進行實驗驗證，模擬計算結果表明，模擬結果與試驗結果基本一致，可以采用數值模擬實現試驗預測。當熱源或冷源在相變石膏板的左右兩側時，相變石膏板的溫度升高達到相變溫度時，

14、相變房間的溫度波動幅度小，并在一定溫度下延續(xù)一段時間。當熱源或冷源在相變石膏板頂端時，因相變房間和普通房間的環(huán)境溫度迅速被加熱，相變石膏板對周圍溫度的影響不顯著，但相變石膏板對比石膏板有明顯差異。
　　實驗考察不同摻量(10％、20％、30％)相變石膏板的蓄/放熱性能，隨著復合相變材料摻量的增加，相變石膏板對環(huán)境溫度的影響越大，即控溫能力越強，調控時間越長。溫度阻尼系數γ，在17.26％～84.66％，隨著CA-PA-SA/EG摻