相变胶囊材料的优化制备及功能化探讨

本文是一篇留学生论文，本文主要研究内容为相变胶囊材料的优化制备和相变胶囊功能化研究，具体介绍如下： 1、采用悬浮聚合法成功制备了正十八烷@PPFS 相变纳米胶囊。通过 FTIR、XRD、SEM-EDS、DSC、TGA 和 LSA 等表征手段进行分析。发现当 PPFS 和正十八烷质量比为 1:2 的时候，相变潜热和封装率可以达到 171.8 ± 2.2 J·g-1和 76.1 ± 1.0%。采用接触角测量仪测得纳米胶囊还具有疏油疏水的特性。这项工作为相变纳米胶囊材料的设计和开发提供了一种创新策略，具有良好的应用潜力。

第一章  绪论

1.1   研究背景

经济的快速增长导致了化石类燃料得短缺加剧。全球都需要寻找替代能源或者提高能源效率的方法和材料。在众多的能源当中，热能是一种丰富的资源且在自然界中广泛存在，是许多能量转换应用的副产品[1, 2]。其中，能量存储是回收热能和提高能源效率的一种有效方式，可以用来收集和储存废热，并在需要时释放出来[3]。同时，热能还有助于解决空间和时间上能源需求和供应不匹配的问题[4]。热能储存的方式主要分为显热储热、热化学储热和相变储热[5]。由表 1.1 可以看到，温度变化的区间对显热储热的储热密度有着很大的影响，导致储热密度受限制。热化学储热的实现需要控制手段十分精细，有时还存在一定的安全隐患。与上述储热技术相变，相变储热的储热密度约为显热储热的 5 ~ 10  倍，可有效减小设备体积，而且在相变过程中近似恒温，控制简单、操作安全，具有很大的研究价值[6]。

表 1.1   不同储热技术的对比

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1.2  相变材料

相变材料  (Phase change materials, PCMs)  是一定温度范围内发生相变，释放或吸收能量，保持恒定温度的一种储能材料[12, 13]。相变材料在自然界中存在广泛，存在形式多种多样。一般来说都是当环境温度低于相变温度时，凝固并释放热量，环境温度高于相变温度时，熔化吸收热量。使得周围环境维持在一个相对恒定的温度。固-液相变材料工作原理如图 1.1 所示。

图 1.1   相变材料工作原理图

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第二章  实验与表征测试

2.1   实验部分

2.1.1  实验原料

实验研究所需的材料如表 2.1 所示。

表 2.1   主要原料和试剂

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2.2   测试与表征

2.2.1  傅里叶红外光谱仪(FT-IR)

样品的化学成分使用傅里叶红外光谱仪  (FTIR, Perkin Elmer Spectrum Two)  进行测试。测试范围为 4000 ~ 500 cm-1，设备如图  2.1  所示。

图 2.1   Perkin Elmer Spectrum Two 傅里叶红外光谱仪

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第三章   悬浮聚合法制备正十八烷@PPFS 相变纳米胶囊 ............................ 18

3.1   前言 ................................ 18

3.2   悬浮聚合法制备正十八烷@PPFS 相变纳米胶囊的原理 .................................. 18

3.3   结果与讨论 ..................... 20

第四章   自组装法制备正十八烷@CaCO3相变微胶囊 .................................. 31

4.1   前言 ......................................... 31

4.2   自组装法制备正十八烷@CaCO3 相变微胶囊 ................................ 31

第五章   自组装法制备石蜡@CaCO3@Fe3O4磁性相变微胶囊 ..................... 46

5.1   前言 ........................ 46

5.2   自组装法制备石蜡@CaCO3@Fe3O4 磁性相变微胶囊原理 ............................... 46

第五章   自组装法制备石蜡@CaCO3@Fe3O4磁性相变微胶囊

5.1   前言

为了满足日益发展的工业需求，功能化的相变胶囊材料成为研究者们研究的重点和热点[89,  90]。目前一些电子设备在使用的过程中会产生大量的热量和电磁辐射，严重影响用户的性能和安全性。 给予相变材料微胶囊以磁性功能，可以制得满足军事领域需要的的红外电磁双屏蔽特性的相变胶囊材料，大大提高了该材料的操作性。

本章实验采用价廉易得的石蜡  (52 ~ 54℃)  为芯材，无机碳酸钙为壁材，运用自组装法成功制备了微胶囊相变储能材料。通过在反应体系中添加纳米磁流体，使得反应生成的石蜡@ CaCO3 相变微胶囊表面附着纳米四氧化三铁颗粒。改善纳米磁流体的添加量，制备得到表观性能良好，具有磁性的石蜡@CaCO3@Fe3O4 磁性相变微胶囊。

制备磁性相变微胶囊的原理如图 4.1 所示。芯材石蜡经超声搅拌后均匀分散在溶液中，溶液中的阴离子乳化剂的亲水基团伸向水溶液中，亲油基团伸向正十八烷油滴中间，将正十八烷进行包裹，继续搅拌使 O/W 体系分散均匀。接着向体系中而缓慢匀速滴加 CaCl2 水溶液，溶液中的 Ca2+ 离子和亲水基团发生化学反应形成络合物，反应一段时间后将 NaC O3 溶液匀速滴加至上述体系当中，溶液中游离的 CO32- 离子快速向带相反电荷的的乳化芯材液滴靠近，与  Ca2+ 离子在液滴表面发生自组装反应形成了碳酸钙外壳，同时在反应体系中加入不同质量的纳米磁流体，不断搅拌使纳米 Fe3O4 颗粒在反应过程中附着在碳酸钙表面，最终制备得到石蜡@CaCO3@Fe3O4 磁性相变微胶囊。

图 5.1  石蜡@CaCO3@Fe3O4 磁性相变微胶囊制备原理图

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第六章  结论与展望

6.1   结论

本文主要研究内容为相变胶囊材料的优化制备和相变胶囊功能化研究，具体介绍如下： 

1、采用悬浮聚合法成功制备了正十八烷@PPFS 相变纳米胶囊。通过 FTIR、XRD、SEM-EDS、DSC、TGA 和 LSA 等表征手段进行分析。发现当 PPFS 和正十八烷质量比为 1:2 的时候，相变潜热和封装率可以达到 171.8 ± 2.2 J·g-1和 76.1 ± 1.0%。采用接触角测量仪测得纳米胶囊还具有疏油疏水的特性。这项工作为相变纳米胶囊材料的设计和开发提供了一种创新策略，具有良好的应用潜力。

2、采用碳酸钙对正十八烷进行封装，制备正十八烷@CaCO3 相变微胶囊，不断改变优化反应工艺条件，探究其对相变微胶囊的性能影响。对产物进行热物性表征后分析得出最佳反应条件。最佳制备条件为：芯壁比 1:1，转速 800 rpm,  温度 45 ℃，乳化剂为SDBS 且浓度为 0.075 mol/L 时，制备的相变微胶囊的热焓值和包覆率分别为  92.3 J·g-1和  41.7%，热导率较正十八烷提高了 5.91 倍。

3、在碳酸钙包裹的石蜡相变微胶囊的表面吸附纳米 Fe3O4 颗粒，制备出具有磁性功能相变微胶囊复合材料。当 Fe3O4纳米颗粒的含量为 0.8 %时，饱和磁化强度为 1.03 emu/g，相变潜热值为 80.2 J·g-1。各项测试结果表明制备的磁性化微胶囊具有优良的磁性和相变性能。

参考文献（略）