月桂酸/硅藻土复合材料的制备及其性能研究外文翻译资料

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月桂酸/硅藻土复合材料的制备及其性能研究

Xiaowei Fu^a, Zhimeng Liu^a, Yao Xiao^a, Jiliang Wang^b, Jingxin Lei^a

(^a四川大学 高分子材料研究所国家重点实验室，中国成都610065 ^b云南大学 化学与工程学院，中国昆明650091）

摘要：以月桂酸（LA）为相变材料，采用直接浸渍法制备月桂酸/硅藻土复合相变材料(PCMs)。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、能谱分析、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热和热重分析对月桂酸的化学结构、化学成分、元素组成、晶体结构、热稳定性和热稳定性进行了研究。FT-IR和XRD结果表明, 月桂酸与月桂酸/硅藻土复合材料只有物理相互作用。复合相变材料XRD强度的降低证实了月桂酸/硅藻土复合材料中月桂酸的晶粒尺寸减小。其熔化温度和结晶温度分别为40.9℃和38.7℃。当周围温度低于157℃时，复合相变材料的相变潜热为57.2 J/g，表明复合相变材料具有良好的热稳定性。

关键词：相变材料 复合材料 月桂酸 热能储存 硅藻土

1引言

在过去的二十年中，相变材料的相变潜热储能（LHES）得到了越来越多的关注^[1-3]。 在相变材料中，月桂酸等脂肪酸由于合适的相变温度(PTT)在建筑领域中的应用具有重要意义^[4-6]。它们能够在相变过程中吸收和释放大量热量，并保留其PTT的热惰性。一般认为用相变材料的相变潜热储能可以解决热绝缘等热问题^[7]。通过降低室内温度波动,可以提高建筑物和纺织产品的热舒适性^[8]。相变材料会在相应的相变温度上相变形成液体。因此，必须使用有效的相变材料来防止相变过程中发生泄漏^[9-11]。

浸渍复合材料是一种轻便、稳健的技术，已在建材工业等领域得到应用^[12]。由于脂肪酸导热系数与无机物质相比较低^[13]，近年来以脂肪酸/无机物质复合材料应用增加^[14]。Karaman等^[10]研究了聚乙二醇/硅藻土定型复合材料相变材料。有关熔化温度、结晶温度和潜热分别为27.7℃、32.2℃和87.09 J/g。 Li和同事^[15]发现，以石蜡作为相变材料，通过溶液插层法吸收到层状膨润土中，石蜡/膨润土的熔化温度和潜热分别为41.7℃和39.84 J/g。Li等^[16]在月桂酸共混体系的基础上，制备了二元脂肪酸/硅藻土复合材料。57 wt.%的卡普里切酸混合物被吸附到多孔硅藻土中，二元酸/硅藻土复合材料的潜热达到66.81 J/g。Xu等^[17]研究了石蜡/硅藻土复合材料的制备及其热稳定性。石蜡/硅藻土复合材料的最大潜热为70.51 J/g，无熔融石蜡的泄漏。He等^[18]报告了用硅酸钠前驱体在溶胶-凝胶过程中合成正烷烃/二氧化硅定型复合材料的制备和性能。

从上面提及的，硅藻土被许多文献^[19,20]选作支撑材料，其重量轻、孔隙率高、吸收能力强、刚性和惰性^[10]。由于其化学成分和物理结构，硅藻土适用于建筑材料和隔音材料等许多领域^[21]。因此，硅藻土作为脂肪酸/硅藻土复合储热材料中的有效支撑材料是可行的^[22]。据我们所知，尚未进行研究以开发月桂酸/硅藻土复合材料作为定型相变材料，以潜在地改善给定领域例如建筑材料的热舒适性，这是由于合适的相变温度（41-48℃）。

本研究中，采用不经真空处理的直接浸渍法制备月桂酸/硅藻土定型复合材料。硅藻土作为无机载体材料与混凝土具有良好的相容性，成为重要的建筑材料^[23]。因此，月桂酸/硅藻土定型复合材料改性混凝土在建筑领域中具有巨大的潜在应用前景，增强了建筑墙体的热能储存能力^[14.24]。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了复合材料的化学相容性和浸渍形态，并采用差示扫描量热(DSC)和热重分析(TGA)研究了复合材料的热性能和热稳定性。

2 .实验

2.1 .材料

月桂酸(LA,98.5%)买自成都科龙化学试剂公司(中国成都)。硅藻土样品来自中国医药工业公司(中国北京)。化学成分如表1所示。硅藻土样品在80℃下干燥脱水8h 。

2.2 .定型复合材料相变材料的制备

采用不经真空处理的直接浸渍法制备了月桂酸/硅藻土复合材料。将2g硅藻土分别加入六个15ml烧杯，然后将不同质量的月桂酸分别放入6个烧杯中。月桂酸和硅藻土的重量比分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8。在月桂酸和硅藻土搅拌均匀后，用塑料薄膜将烧杯密封，放入80℃烘箱12h，进行热力学饱和吸附。同时，在吸附过程中每4h搅拌一次烧杯中的样品。最后将样品冷却至25℃。定型复合材料配料及复合前后外观见表2。

2.3.表征

用MASTERIZER 2000(英国莫尔文仪器有限公司)测量了硅藻土在25℃的粒度和分布情况。试验的粒度范围为:0.02至2000mu;m，试验前，硅藻土样品经超声波处理5 min以获得较好的水分散性。月桂酸，硅藻土和月桂酸/硅藻土复合材料的结构表征使用Nicolet-560傅立叶变换红外光谱仪（美国），分辨率设置为4 cm^-1。扫描范围从4000 cm^-1到400 cm^-1。使用X射线衍射（XPert pro MPD，荷兰）研究硅藻土，月桂酸和月桂酸/硅藻土复合材料的晶体结构。使用差示扫描量热仪(DSC 204 F1，德国)在氮气气氛下以10 ℃/分钟研究了月桂酸和月桂酸/硅藻土复合材料的熔融和冷冻温度以及潜热。使用TA Instrument SDT-Q600热分析仪(美国)，在氮气气氛下进行了热重分析，升温速率为10℃/ min，每个样品约10 mg。通过TA通用分析程序分析获得的TGA结果。使用加速电压为20kV的JEOL JSM-5900LV SEM（日本）观察硅藻土和月桂酸/硅藻土复合材料的显微照片。在观察之前，对SEM样品进行金溅射。

3 .结果和讨论

3.1 .硅藻土的表征

采用硅藻土作为无机载体。考虑到对吸收的影响，在制备月桂酸/硅藻土复合材料之前，必须研究纯硅藻土的粒度和分布。图1为硅藻土的粒度和分布，硅藻土粒度参数见表3。从图1粒径呈三峰分布，峰粒径分别为0.58，34.15和441.02mu;m。三个峰的积分面积非常不对称，34.15mu;m对应主峰。在表3中，D [50]仅为30.85mu;m，硅藻土的比表面积为0.836 m² / g，这有助于吸附熔融月桂酸。

3.2 .月桂酸/硅藻土定型复合材料的制备

采用不经真空处理的直接浸渍法制备了月桂酸/硅藻土定型复合材料^[26]，为了获得适当的吸附比，将一系列质量的月桂酸与等量的硅藻土混合。在80℃饱和吸附12h后，观察月桂酸/硅藻土复合材料的表面形貌。月桂酸/硅藻土定型复合材料的配方和复合前后外观见表2。当月桂酸和硅藻土的质量比为0.3、0.4、0.5和0.6时，硅藻土仍保持颗粒。然而，当月桂酸和硅藻土的质量比达到0.6时，硅藻土粉末明显变成块状,表明月桂酸的添加量超过了特定条件下的吸附容量。考虑到吸附的临界点,将比例为0.6( L0.6 )的月桂酸/硅藻土复合相变材料置于80℃的干燥滤纸上，以去除月桂酸/硅藻土复合材料表面的月桂酸^[13]，防止月桂酸在特定应用中泄漏。

为了进一步研究吸附情况，进行SEM，硅藻土和月桂酸/硅藻土定型复合材料的SEM照片见图2。如图2a所示，在硅藻土粉末的表面中发现许多沟槽状和隧道状的矿脉，显示出表面不均匀性和存在大量待填充的区域。 与硅藻土粗糙表面相比，月桂酸/硅藻土定型复合相变材料的表面光滑明亮、局部均匀，图2 b 表明月桂酸已被完全吸附。还可以观察到锐利的孔脊已被覆盖，现有的孔消失进一步表明月桂酸成功地吸附到硅藻土中。

3.3 .月桂酸/硅藻土定型复合相变材料的化学相容性及结构

为了研究月桂酸和硅藻土的化学相容性，进行了FT-IR分析，并对硅藻土、月桂酸和月桂酸/硅藻土定型复合相变材料的红外光谱进行了表征见图3。如图3a所示，纯硅藻土在3435，1638，1429，1079和789cm^-1处有主吸收带^[3]。 在3435和789cm^-1的谱带属于游离硅烷醇基（Si-OH），1079cm^-1的谱带是硅氧烷基团（Si-O-Si）的特征^[10]。如图3c所示，检测到归属于硅藻土的振动吸收的在3435，1079和788cm^-1处的特征峰，表明定型复合相变材料中存在硅藻土。 同时，由于月桂酸的甲基，亚甲基和羰基的伸缩振动，在2828，2844，1701和1467cm^-1处的特征峰也在图3c中观察到，表明在制备的月桂酸/硅藻土复合材料中存在月桂酸。在图3c中没有出现明显的新的吸收峰，这意味着在作为有机相变材料的月桂酸和作为支持材料的硅藻土之间只存在物理相互作用。 物理相互作用包含毛细管和表面张力，防止熔融的月桂酸泄漏^[27]。

硅藻土的能量色散谱图如图4所示。所含元素按重量百分比排序为O、Si、Al、Mg、Fe、K、Ca和Ti。O元素的含量第一达到48.58 wt.%，Si元素含量第二为32.65 wt.% ，Ti元素的含量低于2wt.%。因此，硅藻土的化学成分是复杂的，SiO₂是硅藻土样品中的主要氧化物。

在图5中显示了硅藻土、月桂酸和月桂酸/硅藻土定型复合相变材料XRD图谱。每个样品都有完整的晶体结构。如图5a所示，硅藻土在20.8^o和26.6^o处显示强的衍射峰，分别归因于（100）和（101）的羽峰。根据布拉格定律(方程(1))晶面间间距分别为4.24和3.34A如图5b所示、19.9^o、21.8^o、23.5^o、24.5^o和26.0^o的尖锐衍射峰是由于月桂酸的常规结晶引起的。在图5c中，显示了月桂酸/硅藻土复合材料中纯硅藻土和月桂酸的特征X射线衍射峰。综上所述，复合相变材料的XRD峰是纯硅藻土和月桂酸的叠加。结果表明，月桂酸/硅藻土定型复合材料中的月桂酸的晶体结构不受硅藻土的直接浸渍处理的影响。 然而，图5c中月桂酸的XRD峰的强度低于图5b中的纯月桂酸，归因于较小的结晶尺寸^[28]。

3.4 .月桂酸/硅藻土复合材料定形相变材料的热学性能

一般通过DSC分析定形相变材料的热学性能。图6中显示了月桂酸和月桂酸/硅藻土复合相变材料的DSC曲线。表4列出了详细的熔化、结晶温度和潜热。如图6所示，熔化和结晶曲线在每条曲线上都呈现出单峰和钝化，表明在少量杂质的影响下存在相对无暇的晶体，与图5的XRD结果一致。表4中，月桂酸的熔化、结晶温度和潜热分别为44.4℃、40.9℃和141.9J/g、142.3J/g。由于杂质的存在，导致了3.5℃的过冷度。考虑到熔化曲线的不同，月桂酸/硅藻土复合材料的熔化温度比月桂酸低40.9℃。在图5b和5c中，相同冷却条件下结晶温度是一致的。月桂酸/硅藻土复合材料的过冷3.1℃与纯月桂酸的一致。从表4中可以看出，月桂酸/硅藻土复合材料（L0.6）的熔化和结晶潜热分别达到57.4、57.2J/g，月桂酸/硅藻土复合材料（L0.6和L0.5）中月桂酸的百分比分别为40.19和l0.5wt.%按方程（2）计算。

月桂酸/硅藻土定型复合材料具有约40℃的相变温度和45J/g的高潜热，在室温超过相变温度时吸收周围空气中大量热量，当环境温度低于相变温度时释放大量热量。因此，外墙可以保持40℃左右的热惰性。表5列出了文献[3,15,16,28-32]中定形相变材料的储热性能。通过比较，表明脂肪酸已广泛用于制备具有20-80J/g潜热的定形复合相变材料。然而，尚未研究具有适当相变温度的月桂酸 /硅藻土复合相变材料。

3.5月桂酸/硅藻土复合材料的热稳定性研究

随着PCM在不同温度下的工作，研究定形复合相变材料的热稳定性是非常必要的。在图7中显示了硅藻土、月桂酸和月桂酸/硅藻土复合相变材料的TGA曲线。图7a中，未检测到25 ~ 600℃热降解阶段，揭示了硅藻土的优良热稳定性。当温度低于147℃时月桂酸的含量几乎不变，温度达到189℃时显著降低为0.61wt.%，最大分解速率出现在176

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