用于储热的新型海绵凹凸棒石负载正羧酸复合相变材料外文翻译资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

用于储热的新型海绵凹凸棒石负载正羧酸复合相变材料

海绵状凹凸棒石（s-ATP），是一种具有三维多孔网络的新型纳米多孔材料，由纯凹凸棒石（p-ATP）组装而成，用作制备复合相变材料（PCMs）的载体材料。测得海绵状ATP网络的平均孔径为13.3nm，孔壁是ATP纳米棒状晶体构成的薄层。由于海绵状ATP的毛细作用力，通过真空法很容易将正羧酸吸附到ATP样品中。研究了载体材料的三维网络结构对复合材料性能的影响。通过差热法和热重分析法测试复合材料的热性能、热稳定性和耐久性。PCM/海绵状ATP复合材料，其中正羧酸质量分数为36.60%~37.71%，具有72.57~82.36J/g的高储热能力。PCM/海绵状ATP复合材料表现出优异的热稳定性和耐久性，并且可能具有用于可再生能源储存应用的巨大潜力。

介绍

随着现代工业的飞速发展，化石燃料的大量使用导致了全球能源短缺和环境污染的加剧。清洁能源的开发和能源效益是亟待解决的问题。相变材料（PCM）在相变过程可以吸收和释放大量的潜热这些材料可以用来暂时储存未使用的或低等级的废热，并在需要时再次释放，保持室内温度在一个狭窄的范围内。PCM具有较高的蓄热密度，温度恒定时的热量储存和释放易于控制，PCM显示出太阳能的巨大潜力，工业废热和余热的回收利用，建筑物加热和空调节能，航空航天等的绝热。因此，PCM的使用正式成为提高能源效率的最有前景的方法之一，保护环境，缓解能源供需矛盾导致的能源危机。一般情况下，已经研究了固液相和固相相变材料。固体相变材料可以为无机盐、聚合物和多元醇，后两者已被广泛研究，固液PCMs包括脂肪酸、无机盐水合物、有机酸、高级醇和正构烷烃，其中，脂肪酸PCMs已经引起了人们的极大关注。然而，脂肪酸和其他固液PCM的固有缺点包括液相高于其熔点泄漏，无机盐水合物的过冷和相分离，以及有机酸、高级醇和正构烷烃的低导热性。因此，固液的实际应用PCMs在一定程度上受到限制。相比之下，与固液相变材料相比，形状稳定的复合相变材料由于具有良好的热稳定性和耐久性而具有优势。通常情况下，形状稳定的复合材料相变材料是一种固态液态相变材料构成的，该固态相变材料PCM作为热能储存器与一种用于存储PCM的支撑材料相结合，即使液体PCM温度高于固态相变材料的熔点。迄今为止，聚合物微胶囊化壳和多孔材料已被认为是用于制备形态稳定的PCM的辅助材料的主要候选者。Giro-Paloma等人生产了微胶囊化的PCM，其由用非晶蜡PCM改性的小丙烯酸酯壳组成。样品由150um的球形附聚物组成，其由尺寸为6um的小颗粒组成。其化学组成约为67%的石蜡，对应于142.55J/g的熔化焓。许等人制造的石蜡/硅藻土（DP）复合相变材料的混合比（石蜡：DP）为0.9:1.0。DP充满了石蜡和材料的相容性很好。石蜡/DP复合相变材料的潜热为70.51J/g。Qiu等人报道了用不同交联的甲基丙烯酸甲酯基聚合物作为壳的正十八烷的微胶囊化通过悬浮聚合实现，并且制备的季戊四丙烯酸酯微胶囊具有最高熔化潜热（156.4J/g）和结晶（182.8J/g）。陈等人表明，正十八烷可以很好地吸附进入5A分子筛的多孔网络中正十八烷在复合材料中最大质量百分比确定为33.3%对应于101.14J/g的熔化潜热。通过使用聚合物微胶囊化壳体作为用于复合PCMs的支撑材料，比使用常规多孔材料包括蒙脱石、硅藻土、绿坡缕石、蛋白石、活性炭和聚酰胺6纳米纤维获得最终产物的更大的相变焓值。然而，微胶囊化聚合物壳聚合物微胶囊的缺点在于其步骤多、工艺复杂、成本高。而且，聚合物的环境和生态风险还不清楚。在众多的多孔材料中，粘土矿物和其他材料（如石墨烯气凝胶、膨胀石墨、CMK-5、CMP和聚酰胺6）相比具有热稳定性好、吸附性能好、易获取、成本低等优点。此外，PCM/粘土复合材料以环保的方式满足许多储能系统的要求。因此，使用粘土矿物制备形态稳定的PCM是非常有意义的。凹凸棒石（ATP）是一种丰富、廉价的粘土矿物，由水合硅酸镁铝构成，具有层状链状结构。近年来，凹凸棒石具有天然的纳米通道结构，具有较大的比表面积，对有机大分子物质的一些交换性质及其化学组成而具有理想的性能，在不同的研究领域引起了相当的关注。本文报道了用溶胶-凝胶法制备了具有三维网状结构的海绵状凹凸棒状支撑材料。用简单的真空吸附法制备了一系列形态稳定的复合相变材料，其中使用来各种正羧酸作为相变材料，并研究了两种明显不同的凹凸棒支撑材料，纯化的ATP和海绵状ATP。研究了支撑材料三维网络对复合材料热性能的影响。

部实验分

物料

肉豆蔻酸（MA）、棕榈酸（PA）、硬脂酸（SA）和六偏磷酸钠购自BASF，丙烯酰胺（AM）和N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）由上海中勤化学试剂有限公司提供，过硫酸铵（APS）有天津市凯通化工试剂有限公司提供，ATP由江苏久川纳米材料科技有限公司提供，并按照以下步骤处理纯化的ATP微粉（p-ATP）。将天然ATP用适量的六偏磷酸钠分散在蒸馏水中，过滤。将ATP浸泡在盐酸（1.0mol/L）中24小时，用蒸馏水洗涤至PH6，离心分离，然后在70℃下干燥。粉末只是通过200目的筛网粉碎。

海绵状ATP支撑材料的制备

根据以下方法由纯化的ATP制备海绵状ATP。将纯化的ATP微粉（7.2g）分散在250ml三颈烧瓶的蒸馏水（20ml）中。将适量的AM单体溶解在烧瓶中并剧烈搅拌。将AM/ATP混合物连续搅拌0.5h，超声1h，再搅拌0.5h。然后在剧烈搅拌下将交联剂MBA（50mg）加入到混合物中。用氮气鼓泡30min以出去溶解在溶液中的氧气，将溶液逐渐加热至30-35℃，然后将引发剂APS(62.5mg)迅速引入混合物。在氮气氛围下将混合物连续加热，并在几分钟内形成凝胶。该聚合物反应保持在70℃3h。接下来，将氢氧化钠（10ml，3mol/L）加入到反应烧瓶中。再浸泡1小时后将反应产物用蒸馏水反复洗涤至PH7。将得到的PAM/ATP在80℃的烘箱中干燥，然后在600℃氩气氛围的管式炉中煅烧1小时以后已获得海绵状ATP。

形式稳定的复合PCM的制备

以不同的正羧酸为PCMs，制备一系列形态稳定的复合相变材料，并提纯了ATP和ATP（ATP）。将一定量的纯化的ATP置于50ml烧杯中，然后用过量的正羧酸（如MA）覆盖。然后，将烧杯置于80℃的真空烘箱中12小时。.同时，以4小时的时间间隔手动剧烈搅拌烧杯中的混合物。最后，获得形态稳定的MA/纯化的ATP（MA/p-ATP）复合材料PCM。用此方法制备了PA/纯化的ATP（PA/p-ATP）复合材料PCM和SA/纯化的ATP（SA/p-ATP）复合材料PCM。如下制造的不同的复合PCM。将海绵状ATP置于玻璃滴管中，在其窄端含有棉絮塞。将海绵状ATP样品和棉绒紧紧包裹在一起。讲过量的正羧酸（如MA）引入到100ml的圆底烧瓶中。玻璃滴管通过一个橡胶塞插入漏斗底部。接下来，将该简单装置置于80℃的真空烘箱中12小时。使用这个过程一个MA/海绵状ATP（MA/p-ATP）复合材料PCM成功被制造。使用与上述相同的方法也很容易制备PA/海绵状ATP（AP/s-ATP）复合物和SA/海绵状ATP（SA/s-ATP）复合物。所有复合材料都经过了明显的渗漏测试。

描述

通过差示扫描量热法（TGA/DSC，Metter Toledo）在氮气氛围下以5℃/min的加热和冷却速率测定复合PCM和纯正羧酸的热性能。通过热导率测定仪（LFA 447Nanoflash，NETZSCH）在75℃下测量PCM/s-ATP复合材料的热耗散和特定热量。采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM;JSM-6701F，日本电子株式会社）和透射电子显微镜（TEM;JEM-1200EX,FEI公司）观察载体材料和复合材料PCM的微观形貌。用物理吸附分析仪（ASAP 2020M,Micromeritics）来表征支撑材料的特定比表面积和孔结构。

结果与讨论

通过氮气吸附分析在77k下测定纯化的ATP和海绵状ATP的比表面积和孔径分布，如图1a所示，纯化的ATP和海绵状ATP都表现出IV型吸附和解析等温线，伴随着晓得H3滞后环。此外，对于纯化的ATP和海绵状ATP，BET表面积分别计算为209和65m²g^-1。根据在P/P₀=0.99处吸附的气体量估算出孔体积为0.461cm³g^-1是纯化ATP和0.218cm³g^-1是海绵状ATP。与纯化的ATP相比，对于海绵状ATP，BET表面积和孔体积均较小。对样品的BJH孔径分布分析（图1b）表明纯化ATP由微孔（孔径小于2nm）和中孔（孔径大于2nm而小于50nm），而海绵状ATP主要由中孔组成。因此，纯化ATP的平均孔径为1.5nm，海绵状ATP的平均孔径为13.3nm。这种孔径的增加将允许将小分子和链状的正羧酸掺入到海绵状ATP样品中。

采用FE-SEM和TEM对纯化的ATP、海绵状ATP和复合材料的结构进行了研究。如图2c和e所示，海绵状ATP具有相互交联的三维多孔网络结构，其与已纯化的ATP（图2a）相比明显不同。网络的表面空袭是开放的并且相互连接，并且尺寸小于约2um。孔壁由ATP纳米棒状晶体的薄层组成。有趣的是，有些甚至只包括一层（图2c），大约是ATP纳米棒状晶体的厚度。基于孔毛细管效应和海绵状ATP样品的表面吸附，孔道可以很容易的被MA、PA和SA等正羧酸浸渍，形成一种形态稳定的复合PCM。如图2d和f所示，SA完全包含在孔隙网络中。虽然一些大孔隙（大小约2um）没有完全填满，几乎所有的纳米级空隙都被填满了。由于海绵状ATP底物对SA的强亲和力，SA在结晶过程中的运动将被阻隔在孔隙网络中。结果，没有观察到海绵状ATP样品在负载过程中有正羧酸的泄露。相反，在纯化的ATP样品中（图2b），SA吸附在ATP的ATP晶体束的表面上，并且在重复的熔融-结晶循环过程中，由于它们之间的弱亲和力而容易从ATP晶体束中泄漏ATP晶体束和SA。通过DSC测量研究了这些具有最佳的正羧酸吸附比例的这些复合PCM的稳定性，并在后面讨论这个结果。

图3a和b分别显示了海绵状ATP和纯化的ATP的TEM图像。类似于FE-SEM图像，由ATP纳米棒状晶体组成的海绵状ATP的三维网络结构是可见的（图3a）。这种三维网络与堆叠的纳米棒状ATP晶体的结构完全不同（图3b）。海绵状ATP的三维网络结构可归因于纳米棒状ATP晶体在聚合物网络中的均匀分散，以及PAM/ATP复合材料的干燥和煅烧处理。

除了良好的孔隙率之外，海绵状ATP样品还表现出优异的热性能。图4显示了三种不同的正羧酸及其相应的复合PCM的DSC曲线。DSC结果列于表1中。由于凹凸棒石对复合材料PCM的潜热没有贡献，因此复合材料的潜热取决于在载体材料中加入的PCM的量。PCM在复合材料中的质量分数可以通过以下公式计算：其中DH（复合PCM）和DH（纯PCM）分别是复合PCM和纯正羧酸的潜热。使用该方程计算复合材料中结晶的正羧酸的质量分数。如表1所示，以海绵状ATP质为载体的复合材料中，结晶态正羧酸的质量分数远高于纯化后的复合材料中的质量分数，分别增加了13.85％，15.71％和9.67％，分别为SA，PA和MA。此外，SA/s-ATP，PA / s-ATP和MA / s-ATP的潜热储存值为72.57-82.36Jg^-1，占潜热储存的37.71％，36.60％和36.69％纯净的SA，PA和MA的储热值。尽管PCM/海绵状ATP的潜热储存值与纯PA,SA和MA相比较低，但是这些值比SA/p-ATP（41.25Jg^-1），PA/p-ATP（41.79Jg^-1）和MA/p-ATP（50.23Jg^-1）更大。

此外，DSC曲线表明，PCM/海绵状ATP复合材料中SA，PA和MA的熔点温度比纯SA，PA和MA稍高，分别增加了2.22,4.65和4.26℃。这表明PCM和辅助材料之间有很强的相互作用。这些结果与之前报道的二元链烷烃混合物/蛋白质形状稳定的PCM和基于蒙脱石的正十六烷复合材料PCMs的研究一致。

我们还发现，与纯MA或MA-s-ATP相比，MA/p-ATP复合材料显示出高得多的熔化温度（图4c）。这可能是因为用于DSC分析的MA/p-ATP的较高剂量和粉末状形态。测得MA/p-ATP的用量为10.4456mg，远大于MA/s-ATP（7.5270mg）、纯MA（7.8912mg）。剂量越高，将热量传递到样品的时间越长，导致更大的温度梯度。这拓宽了DSC曲线的峰形，并增加了峰值温度。此外，MA/p-ATP颗粒之间的松散接触也导致比MA/s-ATP复合材料导热性能低。这也可能进一步提高了MA/p-ATP复合物的熔化温度。

相比之下，PA/纯化的ATP复合材料中PA的熔化温度比纯PA的熔化温度大大降低了8.95℃。相变温度的降低可能是由于PA与纯化的ATP之间弱相互作用造成的。在PA6纳米纤维和癸酸/凹凸棒土相变复合材料中包裹CA和CA系列脂肪酸共晶体的复合材料PCM中也观察到了这种现象。

为了测量支撑材料的三维网络结构对正羧酸热导率的影响，研究了纯SA和SA/s-ATP复合材料在加热和冷却过程中的温度响应。将放置在具有塞子的小玻璃容器中的样品在80℃的恒定温度下加热。将铂电极插入容器中以测量样品的温度响应。两样品在加热和冷却过程中的温度曲线如图5所示。当加热到熔化温度是，SA的温度在几分钟内（从200-350s）几乎是恒定的（图5a）。然而，SA/s-ATP的温度在同一时期不断增加。在冷却期间（图5b），SA/s-ATP的温度比纯SA的温度下降的快得多

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[24433]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word