可逆热致变色相变储能材料微胶囊的制备、表征及性能研究

来源 :天津工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:monorrch
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当前,能源消耗和可再生能源利用成为主要问题,热能储存被认为是满足未来能源需求的一项有前途的技术。由于成本低,在等温条件下储存容量大等优势,相变材料(PCMs)被作为热能储存材料用以解决能源危机。有机热致变色材料由着色剂(热致变色染料),显色剂和助溶剂三种物质组成,不仅能够实现潜热储存-释放,而且能够对其能量的饱和-消耗状态提供实时显示,逐渐引起人们的广泛关注。微胶囊化技术对有机热致变色材料进行封装,能够实现材料的储存、运输、减少其与环境的反应,防止被污染腐蚀,从时间和空间上实现与外部环境之间的能量交换。针对目前热致变色相变储能材料微胶囊的制备方法,从原位聚合法进行微胶囊化的合成工艺,显色机理、温度诱导结晶及颜色变化、性能优化以及在储热调温中的应用研究等问题,展开以下系统研究:(1)通过原位聚合法合成可逆热致变色相变储能材料微胶囊(RT-MPCMs),详细探究了苯乙烯马来酸酐共聚物的分子量、熔盐种类及添加量、体系p H值、乳化速率、芯壁投料比、预聚物加入方式等封装条件对微胶囊的性能影响。RT-MPCMs具有光滑的球形表面以及清晰的核壳结构(平均壁厚:50~60 nm)、平均粒径为440 nm,较高的储热能力(△Hm=165.9 J/g,△Hc=165.3 J/g)以及较好的热稳定性,通过100次热循环测试表明RT-MPCMs具有良好的循环耐久性和热可靠性能。设计并制备含RT-MPCMs的热防护服,以期能够在火灾环境中提供足够的热防护。(2)选择甲基化三聚氰胺甲醛树脂预聚物(MMF)和三聚氰胺甲醛预聚物(MF)作为壳材,详细讨论了壳层材料对微胶囊的热致变色性能影响。通过氧化还原法制备纳米银颗粒(Ag NPs)并对微胶囊表面进行改性,采用紫外可见分光光度法测得负载Ag NPs的RT-MPCMs(B)(Ag-RT-MPCMs,Ag NPs:0.25 wt%)的金黄色葡萄球菌细菌液和大肠杆菌细菌液的Abs值分别为1.049和0.740。Ag NPs可作为非均相成核剂能够影响RT-MPCMs的传热方式以及热致变色现象的灵敏性,结果表明Ag-RT-MPCMs的熔融焓值和结晶焓值分别增加至170.2 J/g和168.9 J/g,变色温度由38℃降低至33℃。(3)RT-MPCMs的微观结构和壳层组成对其性能至关重要。利用甲苯二异氰酸酯(TDI)的异氰酸酯与羟甲基氨基树脂的活性氢之间的高反应活性获得具有疏水性的氨基树脂壳。以预先制备的热致变色微胶囊作为模板,引用异氰酸酯基对表面改性来制备一种新型的疏水性氨基树脂壳的热致变色微胶囊,改性后的RT-MPCMs粉末的水接触角由0°增加到148.5°。(4)通过壳层改性来提高热致变色微胶囊的机械性能和抗渗透性能,使其在应用过程中保持完整的结构。选用水溶性的高分子聚合物聚乙烯醇(PVA)作改性剂,详细探究PVA/MF的投料比、PVA改性方式以及PVA的种类对于热致变色微胶囊的性能的影响。PVA能够与体系中的羟甲基发生反应,提高树脂的交联度。当PVA2699/MF的投料比在0.04~0.25范围内时,RT-MPCMs的机械性能和抗渗透性能均得到有效改善。(5)选用ODB-2作为热致变色染料、双酚A作为显色剂、硬脂酸甲酯作为助溶剂获得热致变色材料作为芯材,通过原位聚合法进行微胶囊化获得的可逆热致变色微胶囊具有稳定的光热转换能力(η=86.9%),良好的潜热储存-释放性能(△Hm=171.9 J/g,△Hc=171.4 J/g)以及储热能力(C%=99.6%)并能够通过色彩变化监测潜热储存和释放状态。通过显微镜、广角/小角X射线散射结构分析和原位X-射线衍射仪详细探究热致变色微胶囊的温度诱导性。通过锐孔-凝固浴法制备窄分散复合大胶囊,并以无纺布为基底获得可穿戴智能袖套,探究其在智能调温和热管理等领域的实际应用价值。
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