还原氧化石墨烯/碳纳米纤维增强复合定形相变材料的热性能研究

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目前能源危机在我国甚至全球都日益突出,因此,有效提高能源利用率以及节约能源已成为当务之急。相变材料(PCMs)作为一种环境友好型、可再生能源利用技术,在相变过程中可以以潜热的形式储存和释放大量的热能,成为提高热能利用率的重要材料。然而,导热性能差以及在相变过程中易泄漏的缺点,严重影响着PCMs的进一步开发与应用。本课题通过结合静电纺丝、预氧化碳化以及偕胺肟化碳化等技术与原理成功制备出兼具高导热强支撑载体的还原氧化石墨烯/碳纳米纤维(RGO/CNFs)。并用其吸附月桂酸-肉豆蔻酸-硬脂酸(LA-MA-SA)三元脂肪酸共熔物相变材料得到储热密度大、导热性能好且形状稳定性优的定形相变材料(FSPCMs)。首先通过静电纺丝法纺出聚丙烯腈(PAN)纳米纤维后对其进行预氧化处理得到预氧化纳米纤维(OPAN),利用氢键键合的原理与改进Hummers法制备的氧化石墨烯(GO)进行复合,得到稳定的GO/OPAN纳米纤维膜,然后通过高温煅烧得到预氧化碳化RGO/CNFs支撑载体,最后注入储热基元LA-MA-SA制得预氧化碳化基定形相变材料(PC-FSPCMs)。通过对其结构形貌以及性能的表征发现,由于氢键的存在使得GO/OPAN在高温煅烧后得到的预氧化碳化RGO/CNFs有良好的结构形貌。同时由于RGO与CNFs的紧密连接可以减少界面接触热阻便于热量快速传送,使得PC-FSPCMs的导热系数提高到了1.13 W/mK,比LA-MA-SA和LA-MA-SA/CNFs定形相变材料(对比样)的导热系数分别提高了304%和169%;吸热速率相比LA-MA-SA以及对比样分别提高了37.1%和32.5%;放热速率相比LA-MA-SA以及对比样而言分别提高了57.5%和37.3%。其次,将静电纺PAN纳米纤维进行偕胺肟化处理得到偕胺肟化纳米纤维(ASFPAN),然后利用ASFPAN上的偕胺肟基团(H2N-C=N-OH)和GO的羟基(-OH)与羧基(-COOH)形成分子间氢键作用机制,通过ASFPAN溶液负载GO法制得GO/ASFPAN复合纤维。最后经高温煅烧制备出结构形貌以及性能优异的偕胺肟化碳化RGO/CNFs支撑载体,通过物理吸附LA-MA-SA制得偕胺肟化碳化基定形相变材料(AC-FSPCMs)。对其结构性能的表征以及与预氧化碳化方法所制备样品的对比分析得出:鉴于偕胺肟化碳化RGO/CNFs更大的比表面积、更稳定的碳化程度,使其制备的AC-FSPCMs的相变焓值达到126.4/121.1 kJ/kg,导热系数达到1.73 W/mK;吸放热速率相比于LA-MA-SA、对比样以及PC-FSPCMs分别提高了40.4/62.1%、36.0/44.1%和5.2/10.9%。最后,在偕胺肟化碳化及物理吸附的技术基础上,进一步探讨了GO的用量和煅烧温度对后续RGO/CNFs以及AC-FSPCMs结构性能的影响,通过对其外观形貌、热重分析以及热性能分析等发现,随着GO浓度的增加,AC-FSPCMs的热稳定性以及储热密度均呈现先增加后减少的趋势,使得AC-FSPCMs结构性能较佳的GO浓度为2 mg/ml。而随着煅烧温度的增加,RGO/CNFs的结构形貌逐渐得到优化,当煅烧温度为950℃时,RGO/CNFs的比表面积达到277.03 m2/g,有极好的三维网状结构,因而使其对LA-MA-SA的吸附率高达72.9%,制得的AC-FSPCMs的熔融/结晶焓值达到128.1/127.9kJ/kg;同时,RGO与CNFs的协同增强导热效应也得到进一步强化,其导热系数高达1.88 W/mK,较LA-MA-SA提高了583%;吸放热速率与LA-MA-SA相比,分别提高了55.1%和62.7%;具有优良的热循环稳定性以及形状稳定性,无任何泄漏现象。可以有效提高热能的利用率,有广泛的实际应用价值。
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