聚氨酯型固-固相变储能材料的制备及应用研究

来源 :西安工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:vacer2008
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为了解决常规的固-液型相变材料在相转变过程中的液态流动及泄漏问题,固-固型相变材料的开发研究应运而生,其中聚氨酯固-固相变材料更因其优异、独特的性能而成为了研究的重点。然而已有研究的聚氨酯固-固相变材料相变温度大都在50℃以上,导致其在纺织纤维材料中应用受到了很大的限制。本文从分子链结构设计出发,采用嵌段共聚的方法,分别以聚乙二醇(PEG)与聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)分别作为软段原料,与异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)反应,然后经过小分子扩链剂扩链,旨在开发出系列相变温度大约在20~38℃的水溶性聚氨酯型固-固相变储能材料(WPUPCM)。通过傅立叶红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TG)、差示扫描量热仪(DSC)确定WPUPCM的化学结构、分析其耐热稳定性、表征其储热性能,通过偏光显微镜(POM)、射线衍射谱(XRD)观察WPUPCM结晶状态、表征了其结晶性能。首先,以PEG为软段,IPDI和BDO的反应链段为硬段制备了PEG基WPUPCM。探讨了扩链反应温度、PEG分子量、单体摩尔比、BDO用量对WPUPCM性能的影响,结果表明,当扩链反应温度为70℃时单体间反应更加充分,制备的WPUPCM受热分解温度高,储热性能好;PEG分子量为1000时所制备的WPUPCM不具有相变性能,分子量在2000~6000范围时,相变材料的熔融温度、熔融焓、结晶温度、结晶焓均随分子量的增大而增大,当分子量超过6000时,相变温度和相变焓略有下降;随着PEG含量的减小,WPUPCM的熔融温度和熔融焓随之减小,受热分解速率增加,结晶性能下降,并且只有当PEG2000的含量不超过85.23%,PEG3000的含量不超过88.81%时,分别以PEG2000、PEG3000为软段制备的WPUPCM才呈现固-固相变特性;BDO的含量会对WPUPCM乳液的外观、粒径及储热性能产生影响;改变扩链剂的类型发现:相同PEG含量的WPUPCM,丙三醇(GL)扩链比BDO扩链熔融温度低、熔融焓高,当PEG2000含量在65.10%~79.83%时,可以制备出熔融温度在25.81~35.19℃,熔融焓在20.31~80.10J·g-1的系列WPUPCM。然后,以PTMG为软段制备PTMG基WPUPCM,通过探究BDO、GL、DMPA三种扩链剂对PTMG基WPUPCM乳化性能的影响,确定选用亲水性扩链剂DMPA来制备PTMG基WPUPCM。研究了合成条件对反应速率与反应程度的影响,确定了PTMG基WPUPCM的制备工艺:预聚温度80℃反应2.5h,扩链温度80℃反应2h。PTMG基WPUPCM的相变温度和相变焓随PTMG含量、DMPA用量变化趋势与PEG基WPUPCM类似。研究同时发现,PTMG基WPUPCM虽然相变温度低,但其相变焓也低,调温能力有限。为了获得具备良好应用效果的WPUPCM,实验又以PEG/PTMG为复合软段制备了一系列不同PEG/PTMG质量比例的WPUPCM。研究发现:以BDO扩链时,当PEG与PTMG质量配比改变,WPUPCM升温和降温过程分别会出现两个峰,即α峰和β两个峰,并且α峰会随着PTMG含量的增多而增大,β峰会随着PEG含量的减少的而减小,当PEG含量小于10g或PTMG含量小于3g时,两峰会互相融合成为一个峰;以PEG/PTMG(配比27/3)复合作为软段,GL扩链制备WPUPCM时,改变反应单体摩尔比,可以制备出熔融温度在22.18~37.18℃,熔融焓在20.19~78.24J·g-1的系列WPUPCM。最后,将所制得的WPUPCM乳液整理到纯棉织物中制备了具有调温性能的智能调温织物。以扫描电镜观察整理前后的织物,并对织物的手感、白度、透气性和织物强力进行了测试,采用差示扫描量热仪、温度记录仪对调温织物的实际调温性能进行了研究。电镜照片表明聚氨酯在纤维表面沉积成膜,使织物纤维表面被平整、光滑的聚氨酯胶膜包裹。以不同用量的整理剂对纯棉织物进行整理,增重率随着聚氨酯乳液用量的升高而增大,但整理液用量过高,会导致整理织物的透气性下降较大,织物的手感变差。柔软剂的加入可以改善调温织物的手感。调温织物的耐水洗性能结果显示,水洗次数的增加降低了整理织物的热焓保留率,使得整理织物的调温能力下降,但整理剂B型调温织物的热焓保留率比整理剂A型的高,耐水洗性能更好,30次水洗后,两种调温织物仍保留良好的储热性能。另外,调温织物对温度的变化有明显的缓冲效应,具有良好的蓄热调温效果。
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