高聚物的結(jié)構(gòu)與性能論文

1、 相變材料的概述 CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 高聚物的結(jié)構(gòu)與性能題目： 相變材料的概述學(xué)生姓名： 陳 宇 航學(xué) 號(hào)： 級(jí): 15級(jí)研究生專 業(yè)： 應(yīng)用化學(xué)指導(dǎo)教師： 張 躍 飛 2016 年 3 月相變材料的概述摘要相變材料在太陽(yáng)能電池、電網(wǎng)調(diào)峰填谷、余熱回收和新型能源使用方面有著重要的應(yīng)用前景。微膠囊相變材料是相變材料的重要發(fā)展方向。本文以十六酸為相變材料，先將十六酸在表面活性劑的作用下在水中分散成穩(wěn)定浮液，再通過界面聚合的方法在其表面沉積聚苯胺將其包覆成微膠囊，得到微膠囊相變材料。并且研究了赤蘚糖

2、醇相變材料的改良方法。關(guān)鍵詞 微膠囊；相變材料；聚苯胺；赤蘚糖醇OVERVIEW OF PHASE CHANGE MATERIALSABSTRACT Phase change materials have important application in solar energy utilization, power grid peak shaving in valley, waste heat recovery, and new energy fields. Microcapsule phase change materials is one of the important develop

3、ing direction of phase change materials. In this paper, palmitic acid was dispersed into water with surfactant to form stable emulsion. Microcapsulated phase change materials were then obtained by interfacial polymerization of aniline to form polyaniline which was deposited on the surface of droplet

4、. And the modification method of erythritol phase change materials was studied.Key words microcapsule; phase change materials; polyaniline; erythritol 相變材料的概述1 緒論1.1 研究的背景與目的 儲(chǔ)熱材料是目前應(yīng)用相當(dāng)普遍的一種材料了，它能夠進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，更重要的意義就是，在一些特殊的情況下將能量保存起來，并能在另外一特殊的情況下得到應(yīng)用。因此可以實(shí)現(xiàn)需要能量和供給能量相結(jié)合的方法，并且也能夠更好的節(jié)約資源，保護(hù)我們美好的環(huán)境。相變材料儲(chǔ)存能

5、量的特性被發(fā)現(xiàn)后,提供了一種新的應(yīng)用能源的方法，人們對(duì)此展開并進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究。1.2 相變材料的概述自然界中現(xiàn)有存在的的物質(zhì)，一般的情況下來說有三種存在形式：液態(tài)、固態(tài)、以及氣態(tài)。當(dāng)物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變到另外一種相態(tài)的時(shí)侯，就發(fā)生了相變。物質(zhì)相態(tài)的改變，可以大致有以下幾種：（1）固體與固體之間的變化；（2）固體與液體之間的改變；（3）液體與氣體之間的化。自然界中的或是合成的物質(zhì)，假如它能夠發(fā)生以上的任何一種變化，就可以稱為相變材料。相變材料（phase-change material，PCM）是近幾年來開發(fā)的一種新材料，是一種能夠廣泛應(yīng)用的熱儲(chǔ)能材料，它主要是利用材料的相態(tài)改變，例如固態(tài)變

6、成液態(tài)的時(shí)候，釋放儲(chǔ)存的能量，而在液態(tài)變成固態(tài)的時(shí)候，儲(chǔ)存一部分能量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，以及能量的再儲(chǔ)存與再利用1。1.3相變材料的分類相變材料的分類可以有很多種；（1）按照物質(zhì)的屬性來分的話，可以分為無機(jī)的相變化材料、有機(jī)的分子和高分子的相變化材料2。其中無機(jī)物的存儲(chǔ)能量材料主要就包括了：結(jié)晶水化合物分子鹽類、熔解鹽之類的材料等；（2）按照材料發(fā)生溶化相變時(shí)候的溫度范圍，相變材料變化按溫度分可以分為高、中和低三種不同的相變溫儲(chǔ)能材料。相變溫度為 8002300屬于高溫度變化的材料，中溫相變溫度為 100500。其中低溫相變溫度為-201003，（3）根據(jù)相變形式過程，相變材料可分為固-

7、液相變、液-汽相變、固-固相變及固-氣相變材料。固-汽相變和液-汽相變材料在相變過程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體，相變物質(zhì)的體積會(huì)變化很大，因此，雖然這兩類相變中相變潛熱很大，但在實(shí)際應(yīng)用中不可行。與此相比較而言，固-固雖然潛熱較小，但卻更加穩(wěn)定，實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品非常少。與此對(duì)比的是。固-液相變材料種類較多，相變的潛熱也較大，價(jià)格適中，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。 1.4微膠囊的功能微膠囊的功能是將囊心的材料包覆起來，改變了芯材的外觀和狀態(tài)，使其在性質(zhì)上得到較大的改善。微膠囊化物質(zhì)可以達(dá)到多種目的，可改善芯材的物理性質(zhì)，提高它的物質(zhì)的穩(wěn)定性6。改善被包裹物質(zhì)的壓敏性、光敏性和活度；減少有毒芯材對(duì)環(huán)境的危害；使藥物有靶向

8、功能；也可以持續(xù)釋放物質(zhì)到外界環(huán)境。以上優(yōu)點(diǎn)使得微膠囊化得到廣泛應(yīng)用。微膠囊化主要的目的有以下幾點(diǎn)。 1.4.1改善物質(zhì)的物理性質(zhì) （1）液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)將液態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行微膠囊化后，可得到細(xì)粉狀物質(zhì)。外表看來是固態(tài)，但其內(nèi)部仍然是液體，因此有良好的反應(yīng)效應(yīng)。微膠囊化的技術(shù)在彩色照相技術(shù)里面的包封效果以及在聚合物固化和包封交聯(lián)中助劑都有重要的用途。 （2）良好的分離狀態(tài)微膠囊化改變了物質(zhì)的外觀，讓它變成了一個(gè)小的“單元”。由于微膠囊化之后芯材與外界直接接觸可以被封閉，這兩種成分間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)需要它們反應(yīng)時(shí)，只需將壓毀微膠囊，使兩種活性成分接觸即可7。 1.4.2 提高穩(wěn)定性，保護(hù)芯材免受環(huán)境

9、影響被包覆的芯材與周圍環(huán)境相隔離，免受環(huán)境中的濕度等惡性條件的作用。一些對(duì)酸堿度較敏感的物質(zhì)，也可以通過微膠囊化為其創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境。還可以保護(hù)易揮發(fā)物質(zhì)，減小其揮發(fā)。 1.4.3 屏蔽味道和氣味的控制釋放 微膠囊化可以保護(hù)一些易揮發(fā)的成分，例如一些香料等等，延長(zhǎng)其使用的壽命8。1.5相變材料的微膠囊化在相變材料的發(fā)展研究中,為了提高相變材料的傳熱問題，人們考慮材料比表面積等問題,發(fā)現(xiàn)納米材料在界面效應(yīng)中有優(yōu)勢(shì),而相變材料在比表面積方面有優(yōu)勢(shì)，于是人們結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn),所以就產(chǎn)生了納米復(fù)合法,既可以提升傳熱，又可以解決相變材料自身存在的多種問題，如外滲等。1.6相變儲(chǔ)能材料在生活中具體應(yīng)用 1

10、.6.1最早的應(yīng)用 最早的應(yīng)用1945年美國(guó)波士頓郊區(qū)的一所建筑物，采用水合鹽類制作的太陽(yáng)能集熱器成功使用2年9。 1.6.2 光熱發(fā)電站 意大利國(guó)家電力集團(tuán)于 2008 年 7 月在西西里島動(dòng)工建設(shè)世界上首座完全使用熔鹽(Solar Salt)作為儲(chǔ)熱介質(zhì)并同時(shí)作為傳熱介質(zhì)的阿基米德太陽(yáng)能光熱發(fā)電站，該電站裝機(jī)容量5 MW，于 2010年7月正式投運(yùn)，意大利Eurelios電站及西班牙CESA-1電站采用 Hitec 鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì)10。 1.6.3農(nóng)業(yè) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)利用相變材料，是溫室大棚種的高溫區(qū)溫度降低，低溫區(qū)溫度升高，維持其穩(wěn)定，保證農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，提高產(chǎn)率，克服惡劣的天氣等11。2

11、微膠囊相變材料的制備2.1 穩(wěn)定乳液的制備用分析天平稱取十六酸（PA）1g，十二烷基磺酸鈉（SDS）0.3500g，加入到100ml的三頸燒瓶中，再用量筒量取30ml的去離子水加入，在加入1ml的正丁醇，加入一顆攪拌子，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備固定在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器上，連接上冷凝回流裝置，設(shè)定溫度在75度左右，恒溫?cái)嚢?小時(shí)左右，停止攪拌，75度恒溫靜置5小時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而后冷卻至室溫觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。表2-1 穩(wěn)定乳液試劑的配比樣品PA（g)SDS(g)正丁醇(ml)水(ml)10.50200.352213020.75580.354513030.50460.354013040.50380.35220

12、.530 注：在做穩(wěn)定乳液的時(shí)候，是將1,2號(hào)一組對(duì)比，3,4號(hào)一組對(duì)比，參照得出穩(wěn)定乳液具體的參數(shù)指標(biāo)。2.2 苯胺的提純本實(shí)驗(yàn)采用的是油浴鍋減壓蒸餾的方式，首先將實(shí)驗(yàn)所需儀器清洗干凈，然后將苯胺取30ml加入到100ml的單頸燒瓶中，加入一顆攪拌子，連接好整套的減壓蒸餾裝置，設(shè)定溫度在140度左右，提純3小時(shí)左右，舍去前餾分，得到無色略帶淡黃色的苯胺，為實(shí)驗(yàn)所需。2.3 微膠囊相變材料的制備（1）首先是在得到穩(wěn)定乳液，根據(jù)其具體試劑比先制備一個(gè)穩(wěn)定的乳液。取十六酸0.5g，SDS 0.35g 加入到三頸燒瓶中，加入去離子水30ml，正丁醇1ml，將燒瓶固定在在集熱式恒溫加熱磁力攪拌器上，加

13、入攪拌子，連接好冷凝回流裝置后，水浴恒溫在75度左右，持續(xù)2個(gè)小時(shí)。（2）2小時(shí)候，加入苯胺0.18ml，濃鹽酸1ml，75度的情況下繼續(xù)攪拌2個(gè)小時(shí)。（3）然后取過硫酸銨0.4452g，用極少量的水配置成溶液，加入到燒瓶中。（4）一組繼續(xù)攪拌20小時(shí)得到產(chǎn)品，另外一組攪拌半小時(shí)后靜置20小時(shí)，得到產(chǎn)品。 表2-2 原料配比樣品號(hào)123456789PA(g)0.50010.50180.50460.50550.50240.59640.59820.60180.6036SDS(g)0.35290.34970.35420.34970.35140.34980.35250.35050.3525正丁醇ml1

14、.01.01.01.01.01.01.01.01.0水ml303030303030303030鹽酸ml1.01.01.0001.01.000苯胺ml0.180.180.180.180.180.40.40.40.4過硫酸銨0.31080.44520.45330.44510.44571.01291.00531.00041.0162實(shí)驗(yàn)條件攪拌不攪拌攪拌不攪拌攪拌不攪拌攪拌不攪拌攪拌注：2與3是對(duì)比組，對(duì)比參數(shù)是是否攪拌的問題，3與4是對(duì)比組，對(duì)比參數(shù)是否加酸的問題，2,3,4,5組與6,7,8,9組是原來不同組的對(duì)比。2.4產(chǎn)品的表征 2.4.1定形性能的分析將所得的產(chǎn)品取一小塊放在濾紙上，并放在

15、蒸發(fā)皿當(dāng)中，將9組產(chǎn)品編號(hào)，所有的蒸發(fā)皿上，在真空干燥箱中加熱，升溫到十六酸熔點(diǎn)以上的溫度，觀察是否出現(xiàn)十六酸泄露的情況，確定其包覆效果的好壞，來對(duì)比出那種實(shí)驗(yàn)條件能夠得到更好的產(chǎn)品。 2.4.2傅里葉紅外光譜分析根據(jù)曲線特征的吸收峰，紅外光譜可以分析出物質(zhì)的化學(xué)成分與分子結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)通過紅外光譜的表征，利用溴化鉀壓片，光譜掃描范圍為4000-400cm-1，通過曲線綜合分析產(chǎn)品的情況，得出結(jié)論。 2.4.3差示掃描量熱分析此方法是在程序控溫的條件情況之下，測(cè)量樣品與參比差值的一種技術(shù)，該方法能夠測(cè)出產(chǎn)品的熔點(diǎn)和焓值，本實(shí)驗(yàn)的掃描溫度是20-100，升溫速度是10/min,空白坩堝重52.2m

16、g。表2-3 DSC樣品量記錄樣品（mg）123456789純空皿重52.352.052.152.352.052.152.152.252.452.0皿+樣品重57.856.361.957.259.859.359.662.157.761.2樣品重5.54.39.84.97.87.27.59.95.39.2 2.4.4掃描電鏡分析掃描電鏡能夠有效的看出物質(zhì)表面的特征，用電子束掃描物質(zhì)的表面，能夠直觀清晰的看出微膠囊相變材料的包覆情況，泄露情況的好壞。 2.4.5 X射線衍射分析X射線衍射可以反映出晶體內(nèi)部原子的類型等信息，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性或者是定量的分析。 3 赤蘚糖醇相變材料3.1赤蘚糖醇的簡(jiǎn)介赤

17、蘚糖醇，白色結(jié)晶，微甜，相對(duì)甜度0.65，有清涼感，發(fā)熱量低，約為蔗糖發(fā)熱量的十分之一。溶于水（37%，25）。因溶解度較低，易結(jié)晶。用于有機(jī)合成和生化研究，是一種較好的相變材料。它的優(yōu)點(diǎn)是具有極高的相變潛熱和很好的循環(huán)相變穩(wěn)定性。但是它過冷度極大，導(dǎo)熱性能較差，需封裝12。3.2 赤蘚糖醇封裝問題為解決固液相變材料封裝問題，可將其轉(zhuǎn)化為和微膠囊相變材料和定形相變材料。微膠囊相變材料是將起儲(chǔ)熱作用的固液相變材料作為核材包裹在殼材料中，形成核殼結(jié)構(gòu)的微膠囊。定形相變它與微膠囊相變材料的區(qū)別是它并不形成單個(gè)的膠囊，而是形成高分子化合物的網(wǎng)絡(luò)，相變材料顆粒被包埋在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的孔隙內(nèi)，形成其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的聚合

18、物層可以遠(yuǎn)薄于微膠囊殼，且表面孔隙被封口，因此它的相變儲(chǔ)熱容量要比微膠囊相變材料高，抗泄漏性和壽命比無機(jī)支撐材料的定形相變材料都好，中溫相變材料，相變溫度稍高，且由于糖醇為水溶性物質(zhì)，微膠囊化必須在油包水型體系中進(jìn)行，因而大大限制了微膠囊化的可行性，所以將其進(jìn)行定形相變13。3.3 赤蘚糖醇導(dǎo)熱性問題具體的解決辦法：（1）改善整個(gè)儲(chǔ)熱/換熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以改善系統(tǒng)的傳熱速度，如采用優(yōu)化的翅片結(jié)構(gòu)。（2）將相變材料封裝于高導(dǎo)熱的基材中以改善系統(tǒng)的傳熱速度，如將相變材料用銅包覆起來（3）添加高導(dǎo)熱填料改善復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能。高導(dǎo)熱填料包括碳納米類：碳纖維，石墨烯，石墨泡沫，膨脹石墨。金屬納米類包括

19、：銅銀納米線，納米粒子。Luo Zhichao等將納米二氧化鈦分散到赤蘚糖醇中，測(cè)量其熱力學(xué)性能，結(jié)果表明，當(dāng)納米二氧化鈦的用量為0.2%時(shí)，總儲(chǔ)熱能力提高8%。納米二氧化鈦的加入提高了赤蘚糖醇相變材料的蓄熱性能，NePCM的熱容在固態(tài)時(shí)提高45%和在液態(tài)提高14%14。3.4 赤蘚糖醇過冷度問題赤蘚糖的過冷度可達(dá) 100 ºC，這在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用當(dāng)中是完全沒有意義的，其解決辦法包括超聲攪拌、氣泡攪拌和帶晶種攪拌，加入成核劑等等15。4 結(jié)語(yǔ)實(shí)驗(yàn)制備出的產(chǎn)品是有較好熱力學(xué)性能的相變材料，但是其微觀結(jié)構(gòu)沒有很好的呈現(xiàn)出微膠囊化的特征，分析其原因。（1）乳化劑的選擇，SDS的HLB值為12.3

20、，為符合要求的O/W型乳化劑，但是加入正丁醇之后會(huì)改變?nèi)榛瘎┑腍LB值，沒有考慮清楚這點(diǎn)，沒有找到合適的配比。（2）乳化劑的制備方法，因?qū)嶒?yàn)室儀器只有磁力攪拌器，沒有超聲波乳化器，均化器等，無法控制攪拌速度，這種方法制備的乳狀液分散性差，不均勻，易產(chǎn)生空氣。（3）對(duì)乳化液形成之后，沒有進(jìn)行低溫等儲(chǔ)存試驗(yàn)，僅在75下測(cè)試其穩(wěn)定性。赤蘚糖醇是擁有潛力的相變材料，對(duì)其加以改性肯定能得到很好的開發(fā)和利用。參考文獻(xiàn)1 Bal L M, Satya S, Naik S N, et al. Review of solar dryers with latent heat storage systems for

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