三水醋酸钠定型复合相变储能材料的制备及性能研究

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相变储热材料储热能力强、储放热温度稳定、可重复使用,在环境恒温控制管理、建筑节能、热能回收利用和电能平谷调峰等方面应用前景广阔,因而受到人们广泛关注。其中定型相变材料通过将相变材料和其他封装材料复合可有效解决相变材料渗漏以及相变过程中体积变化大的问题,同时提高了使用稳定性,因而在环境温度管理系统中应用较多。目前有机相变材料被更多地应用于热管理系统中,无机相变材料由于和有机封装材料相容性较差而应用较少。无机相变储能材料相对来说具有适用于常见应用的相变温度、较低的成本、较高的储热能力等特点。本论文通过将三水醋酸钠(Sodium acetate trihydrate,SAT)改性后和支撑材料进行复合制备得到多种定型相变储能材料,实现了利用有机硅灌封胶对无机相变材料的封装,并提高了相变材料占比,材料热物性能总体提高,对无机相变储能材料在电池、仪器、航空等环境热管理系统中的推广应用具有明显积极作用。本研究选用SAT作为无机相变储能材料,以融熔混合法、多孔吸附法制备复合成了定型复合相变储能材料,并通过一系列测试仪器对样品热物性能进行了表征,分析了制备条件对产品热物性能的影响机制,并给出了优化配方。主要工作如下:(1)使用表面活性剂TX-100(TX)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对膨胀石墨(EG)进行表面修饰:无修饰的EG和水的接触角为77.0°左右,对SAT进行吸附时,需要加入9 wt%的EG吸附5 h才能吸附达到无渗漏目标,此时潜热为185.7 J/g,导热系数为2.112 W·m-1·K-1;使用TX-100对EG进行修饰后(命名为TX-EG)接触角为16.3°,只需要加入8.5 wt%TX-EG且3 h即可吸附完全,此时潜热为212.4 J/g,导热系数为2.097 W·m-1·K-1;使用CTAB对EG进行修饰后(命名为CTAB-EG)接触角为10.3°左右,只需要加入7.5 wt%的CTAB-EG,且1 h即可吸附完全,此时潜热为205.7 J/g,导热系数为2.005 W·m-1·K-1。经两种表面活性剂修饰后的EG对SAT的吸附速度和吸附量明显提高,有效降低成本的同时复合体系的潜热也得到了提高,导热系数变化不大,这是由于表面活性剂的修饰引入亲水官能团,提高了EG的亲水性,使得单位质量EG对熔化SAT的吸附量变大,主相变材料的质量占比提高,从而提高了潜热。(2)使用羧甲基纤维素(CMC)和黄原胶(XG)作为改性材料分别与SAT熔熔共混制备得到复合相变材料。通过实验得出CMC质量占比为4 wt%时可以形成定型相变材料,此时潜热为222.0 J/g,导热系数为0.5849 W·m-1·K-1;XG质量占比为6wt%时可以形成定型相变材料,此时潜热为215.8 J/g,导热系数为0.5785 W·m-1·K-1,可见CMC和XG对SAT具有定型效果,且保持了较高的储热能力,其中CMC的改性效果要好于XG,在更小的质量占比下就将主相变材料定型,保持了较大的储热性能,降低了对导热系数的影响。这是由于XG有极强的亲水性,加入水中后会迅速吸水膨胀成凝胶状物质,速度过快使得外层完全膨胀而水分子再难以进入内层,使得XG的用量要略微高一些才可以达到和CMC同样的效果。(3)使用CMC改性的SAT和有机硅灌封胶进行复合得到了相变储能灌封胶产品。对比实验发现,相对没有改性的SAT,使用3 wt%CMC改性的SAT可以实现其和有机硅灌封胶的快速复合定型,固化时间从72 h降低到2 h;定型用灌封胶的用量从15 wt%降低到10 wt%,此时产物的潜热为191.7 J/g;50次循环后潜热降低程度为8.7%,相比改性前的20.3%,热稳定性有明显提升。通过CMC对SAT的改性后制备得到了一种新型相变储热灌封胶,且相对市售产品具有更快的凝固速度和更高的潜热,有望应用于动力电池的热管理系统实现对电池工作环境温度的长效调节。
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