论文部分内容阅读
随着全球经济的高速发展,化石能源短缺和环境污染问题日益突出。太阳能等可再生能源的开发可以减轻经济增长对能源和环境造成的负担。相变储能技术是利用太阳能热的有效方式,通过相变材料在相变过程中吸热和放热来实现能量的存储和释放。相变材料在直接使用过程中存在易流动及易腐蚀等问题,常通过微胶囊化封装来得以解决。理想的相变微胶囊应具有储能密度大、传热性能好、性能稳定等优点。本论文致力于制备具有高储热、高导热等优异性能的相变微胶囊。在合成具有高储能密度正十二醇@密胺树脂相变微胶囊的基础上,引入氧化石墨烯及碳纳米管等高导热填料来提高其导热性;为了制备导热性能更优异的相变微胶囊,选用具有更高储能密度和导热系数的无机水合盐十二水合磷酸氢二钠作相变材料,分别用有机聚脲和无机二氧化硅对其进行封装制成相变微胶囊;分析比较两种相变微胶囊的综合性能,选用储热性和导热性更好的二氧化硅封装的相变微胶囊进行导热增强,然后将导热增强无机水合盐/二氧化硅相变微胶囊分散到基体液中制得潜热型功能流体,探究其光热转换性能。首先,以有机相变材料正十二醇作芯材,密胺树脂作壁材,通过原位聚合法制备相变微胶囊,在微胶囊壁材中引入氧化石墨烯（GO）及碳纳米管（CNT）等导热填料来提高正十二醇@密胺树脂相变微胶囊的导热性。探究了氧化石墨烯的氧化程度及氧化石墨烯-碳纳米管的协同效应对正十二醇@密胺树脂相变微胶囊形貌、储热性能及导热性等的影响,并通过分析GO和CNT与密胺树脂壁材界面相互作用及GO和CNT在壁材中分散状态,探讨了GO-CNT复合填料在相变微胶囊中的导热增强机理。实验结果表明,引入GO或CNT后正十二醇@密胺树脂相变微胶囊的形貌结构及相变焓变化差异较小,含GO-CNT相变微胶囊的平均相变焓为162.9 J/g,包封率为74.3%。但添加GO或CNT后相变微胶囊的导热系数有不同程度的提高,当添加0.6 wt%GO-CNT复合填料时,正十二醇@密胺树脂相变微胶囊的导热系数提高到0.3821 W/mK,比未添加任何导热填料的相变微胶囊提高了195%。尽管在密胺树脂中添加氧化石墨烯及碳纳米管等高导热填料提高了相变微胶囊壁材的导热性,但作微胶囊芯材的有机相变材料的导热性偏低,为了弥补这一缺陷,采用导热性更好的无机水合盐Na2HPO4·12H2O作芯材,甲苯二异氰酸酯TDI与水或二乙烯三胺DETA反应生成的聚脲树脂作壁材,通过界面聚合法制备Na2HPO4·12H2O@聚脲相变微胶囊。探究了补加水量、反应温度、反应时间、TDI/DETA质量比及TDI和DETA总添加量等对相变微胶囊储热性及导热性的影响。当以TDI与DETA反应生成的聚脲作壳时,合成的Na2HPO4·12H2O@聚脲相变微胶囊的相变焓和包封率分别为139.3 J/g和55.4%,对应导热系数为0.3946 W/mK,是未改性正十二醇@密胺树脂相变微胶囊导热系数的3倍。为了进一步提高其导热性,以无机水合盐Na2HPO4·12H2O作芯材,选用无机二氧化硅作壳材,结合界面聚合法和溶胶凝胶法制备Na2HPO4·12H2O@SiO2相变微胶囊,并通过优化合成工艺条件来提高相变微胶囊的综合性能。当补加水量为20%、芯壁比为4.0:1时,在40℃下反应8 h制得Na2HPO4·12H2O@SiO2相变微胶囊的相变焓和包封率分别为177.0 J/g和70.4%,此时微胶囊的导热系数为0.5004 W/mK,相变焓和导热系数均高于Na2HPO4·12H2O@聚脲相变微胶囊。随后,向芯材Na2HPO4·12H2O和壁材SiO2中同时引入氧化石墨烯和改性氧化石墨烯以更大程度地提高Na2HPO4·12H2O@SiO2相变微胶囊的导热性,探究了氧化石墨烯及改性氧化石墨烯的添加对相变微胶囊形貌、相变特性、导热性等的影响。当在芯材中添加0.3 wt%氧化石墨烯及在壁材中添加0.5 wt%改性氧化石墨烯时,所制导热增强Na2HPO4·12H2O@SiO2相变微胶囊的相变焓和包封率仍在170 J/g和69%以上,而导热系数提高到0.6945 W/mK,比未改性的Na2HPO4·12H2O@SiO2相变微胶囊提高了38.8%,比未改性的正十二醇@密胺树脂相变微胶囊提高了4.36倍。其后,将导热增强Na2HPO4·12H2O@SiO2相变微胶囊颗粒添加到基体液中制备潜热型功能流体,探究相变微胶囊的加入对潜热流体热物性及光热转换性能的影响。