癸酸-月桂酸-棕榈酸/膨胀石墨复合相变材料的制备和热性能研究外文翻译资料

 2022-06-28 23:04:14

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癸酸-月桂酸-棕榈酸/膨胀石墨复合相变材料的制备和热性能研究

关键词：脂肪酸 三元共熔 膨胀石墨 复合相变材料 热性能

摘要：这项工作的重点是三元脂肪酸共熔物/膨胀石墨形成的稳定的复合相变材料的制备和热性能研究。根据三元低共熔物温度与质量比计算理论，首先制备酸（CA），月桂酸（LA）和棕榈酸（PA）三元低共熔物，以此降低相变温度。通过差热分析（DSC）可以得到三元低共熔物的熔点和相变潜热等热学性能，同时得到三元低共熔物的适宜质量比为CA：LA：PA=59.7：30.1：10.02。然后将CA-LA-PA吸附在作为载体的膨胀石墨上，CA-LA-PA和膨胀石墨（EG）的最佳配比为17：1。通过扫描电子显微镜（SEM）和差热分析（DSC）对CA-LA-PA / EG复合材料进行了表征。SEM观察表明，CA-LA-PA被吸附到EG的多孔结构中，而不是任何化学作用。DSC结果表明，CA-LA-PA和CA-LA-PA/EG的相变温度和相变潜热分别为19.92℃和19.48℃，和135.49J / g和130.73J / g。CA–LA–PA /EG复合相变材料的热导性因为加入的具有良好热导性的EG得到改良。热循环测试显示CA-LA-PA / EG复合材料具有良好的热稳定性。所有结果表明CA-LA-PA / EG复合相变材料具有适当的熔化温度和相变潜热用于建筑节能。

引言：

经济和社会的高速发展的代价是化石能源的消耗和环境污染，提高现有能源的利用率和发展可再生清洁能源已成为人类面临的重要课题。相变材料（PCM），

也被称为潜热储能材料（LTES），通过相变过程中的相变潜热来实现能量的储存，转化和利用，并被广泛应用于蓄热领域，如太阳能，风能，电能高峰负荷转换，废热利用，建筑能源，航空航天和电子等领域。目前，无机盐水合物，石蜡和脂肪酸已被广泛研究用作LHES应用的PCM。在被研究的PCMs中，脂肪酸相变材料

由于其来源广泛，具有共晶和结晶特征，焓高，无过冷和相分离，热稳定性和化学稳定性好，固液相变扩张量小，受到了广泛的关注。而且也能获得不同相变温度的二元低共熔物和三元低共熔物。脂肪酸作为理想的相变储能材料，仍有下面两个缺点:一是导热性差，另一方面是脂肪中的热量相变材料凝固阶段，两相界面移动，热阻会随着凝固层的增厚而增加，由此进一步减少传热系数。其次，固液相变过程存在泄漏的缺点。为了解决这个问题，人们研究了各种改进方法来提高材料的导热性和解决相变储能材料的泄漏问题。主要方法集中在加入添加物，如加入具有高热导系数的颗粒和多孔结构材料。本工作旨在制备具有合适相变温度，相变潜热和导热系数的可用于储能新型潜在相变材料。在这项工作中，首先制备了癸酸月桂酸（CA－LA－PA）三元共晶混合物。然后将CA-LA -PA作为PCM和EG作为载体材料，制备CA -LA PA/EA复合相变材料。制备了加热温度为19.92℃的CA—LA—PA三元共晶混合物。CA-LA—PA/EG复合材料用于建筑能源的蓄热保存制备。CA—LA—PA/EG复合材料的显微结构和热性能用扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热仪对PCM进行了表征。（DSC）。此后，还对热可靠性和稳定性、复合相变材料的导热性进行了调查。

实验描述：

材料：采购自上海阿拉丁工业公司的癸酸（CA，98% CP）和月桂酸（LA，97% CP);购自天津富辰化学试剂厂的棕榈酸（PA，99% Ar）和由青岛金日来电子材料厂提供可膨胀石墨（EG,80 meshes）。

癸酸-月桂酸-棕榈酸三元共晶混合的制备：称取一定量的CA，LA和PA，放入50毫升烧杯中，用一块保鲜膜密封，然后在恒温水浴中加热75℃。当三种脂肪酸完全熔化时，将它们在磁力搅拌器中以2500转/分的速度搅拌20分钟，以确保均匀混合，然后缓慢冷却至室温。然后用DSC测定了混合物的质量比、相变温度和潜热。

癸酸-月桂酸-棕榈酸/膨胀石墨复合相变材料的制备：用微波炉在微波辐射功率为700 W、30 s的条件下用微波处理法制备膨胀石墨（EG），用所制备的CA—LA—PA作相变储能材料和EG作为支撑材料，制备了一系列CA -LA PA/EG复合相变材料。

表征：在45 mL/mi恒速氮气流量以及5℃/分钟的降温速度下，利用差示扫描量热仪（DSC）获得了CA、LA、PA、CA—LA—PA共晶混合物和CA—LA—PA/EA复合相变材料的熔化温度和潜热，并对其形态和微观结构进行了分析。用扫描电子显微镜（SEM）观察了EG和Ca—La—Pa/Eg复合材料。

结果和分析

热性能：共晶混合物是降低相变材料相变温度的一种简单而有效的方法。在一定质量比下，可以得到一定熔点的两种或三种低熔点脂肪酸的共晶混合物。图1示出了反映CA、LA、PA、CA-LA-PA和CA -LA -PA/EG的相变温度和潜热的DSC曲线，表1列出了DSC测试加热和冷却过程中LA、CA、PA、CA—LA—PA和CA—LA—PA／EG的热性质。

从图1（a）可以看出，三元脂肪酸DSC加热曲线呈现单一熔融峰，表明三种脂肪酸共晶状态，其中熔融温度为19.92℃，熔融焓135.49 J/g，比纯脂肪酸低，表明所制备的三元脂肪酸具有较好的相变储能特性。从表1看，CA—LA—PA/EG的潜热比三元脂肪酸少。这意味着三元脂肪酸被有效地吸附在膨胀石墨的孔结构上，膨胀石墨仅对三元脂肪酸起支撑作用，不影响内部熔融结晶相变材料的性能，更好的保持了复合相变材料的的特性。

CA—LA—PA／EG的最佳质量比：一个好的相变材料应该具有适当的相变温度以及较高的潜热，这意味着更高的能量密度和更低的使用量。CA—LA—PA/EG复合相变材料中，CA—LA—PA的含量会影响其潜热，EG含量会影响其导热性。此外，EG的吸收能力是有限的。因此，有必要确定CA—LA—PA和EG的最佳质量比。

处理前后的结果如图2所示，饱和吸附脂肪酸/EG复合PCM的量为30倍，脂肪酸/EG复合PCM在50℃热循环后在60℃烘箱中稳定吸附17倍，发现饱和脂肪酸吸附为脂肪酸泄漏的一部分，稳定吸附脂肪酸几乎不泄露，质量几乎不变，表明EG吸附脂肪酸的稳定性可以是一个很好的脂肪酸包，络合稳定吸附在放大相变材料上具有良好的耐久性。

CA–LA–PA/EG复合相变材料的扫描电镜。图3显示了（a）EG和（b）CA—LA—PA/EG复合材料的SEM图像。EG的SEM图像表明，EG具有蠕虫状多孔结构。这种结构增加了其表面积，使熔融的Ca-La -Pa由EG吸附的最大质量比例为94.7%。图3b中 CA–LA–PA/EG的SEM显微图像显示,CA–LA–PA均一的分散嵌入在EG的多孔结构中。可以看出，EG的多孔结构为整个复合材料提供了机械强度；CA—LA—PA和EG由于其高的界面而紧密地连接在两相界面上。CA-LA-PA的渗透能力，显示出良好的相容性，毛细管和表面张力之间的CA-LA-PA和多孔结构的EG防止熔化的CA-LA-PA泄漏。CA-LA-PA和EG之间存在一定的物理吸附作用，在EG表面存在多孔结构。

CA—LA—PA/EG复合相变材料的热性能分析。虽然有机脂肪酸具有潜热高、相变过程中体积变化小、成本低的优点，但有导热性低的缺点。癸酸、月桂酸和棕榈酸的热导率分别为0.149、0.147和0.165 W/（mbull;k）。因此，要加快饱和脂肪酸相变储能材料的应用，提高其储热能力是关键。传导热量热常数分析仪测定了制备的三元脂肪酸/膨胀石墨复合材料的非晶态相变材料的导热性。样品测试功率为0.03 W，测试时间为5秒，测量结果的平均值为0.715 W/（m/K）的5倍。这是由于膨胀石墨是一种高导热性材料（18），具有优异的各向异性。在热方面，层平面方向的热导率是厚度方向的28倍。因此，三元脂肪酸和膨胀石墨的组合极大地改善了相变材料的导热性，这是三元脂肪酸/膨胀石墨复合稳定相变材料的储存性能和环的热稳定性，从而提供了一种保护。

结论

本文在理论计算和实验的基础上，首次制备了CA-LA-PA共晶混合物，其质量比为CA∶LA：PA= 57.7:27.6:10.7。然后制备了具有最佳吸收率的CA-LA-PA/EG复合相变储能材料，CA-LA-PA的质量分数为91.32%。CA-LA-PA在毛细管的作用和表面张力的作用下均匀分布在EG的网状多孔结构中，而CA-LA-PA和EG之间没有化学和物理的相互作用。CA-LA -PA/EG复合PCM的熔化温度和潜热为19.48°C和130.73 J/g。三元脂肪酸/膨胀石墨复合相变材料的热系数为0.715 W/（M·K），脂肪酸比原来的相变材料有了很大的改善。

脂肪酸/膨胀石墨包封型相变储能材料

文摘：通过将LA-MA-PA吸收到EG的多孔网络中，制备出月桂-肉豆蔻酸-棕榈酸（LA-MA-PA）三元共晶混合物/膨胀石墨（EG）复合相变材料（PCMS）。将三元共晶混合物与EG的最佳比例确定为93∶7时液相LA-MA-PA没有从复合PCM中渗漏。为了使结构更稳定，用表面处理剂包覆复合PCM，制备LA-MA-PA/EG包封稳定的PCM。同时对PCM进行扫描电子显微镜（SEM）、傅立叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）和热处理。结果表明，表面处理剂与LA-MA-PA之间没有化学反应，样品经密封胶处理后，在滤纸上几乎没有留下痕迹。将LA-MA-PA/EG包覆型稳定相变材料的相变温度和潜热分别是29.32℃和96.20 J/g。同时也进行了传热分析，通过添加EG提高了蓄热效率。

关键词：脂肪酸；包封型稳定相变材料（PCMS）；泄漏量；储能

前言：近年来，能源短缺已成为困扰人类经济快速发展的一个严重问题，如何提高能源利用效率可能是最困难和最迫切需要解决的问题。相变材料（PCMS）是一种能在相变反应融化/结晶过程中储存或释放热能的功能材料，相变储能是太阳能热利用、温控布、空调系统、建筑能源建设等节能领域最重要的技术之一。脂肪酸及其共晶材料作为一种PCM，由于其储能能力强、热稳定性好、成本低、相变过程中无过冷或过冷等优点而被广泛研究和应用。然而，脂肪酸的低导热率将严重限制其在储热领域的大规模应用。基于上述考虑，还可以将膨胀石墨或金属功率等高导热材料添加到相变材料中，以提高热系数。此外，脂肪酸也可以放置在特殊设计的装置/容器中，可以改善热传递性质。Sun等人制备了一种石蜡/膨胀珍珠岩型稳定的PCM，当石墨含量为5%时，其导电率达到192%。张等人研制了石蜡/膨胀石墨（EG）复合PCM，其导热率由于石墨的高导热率而明显提高。Mazman等人在二元脂肪酸共晶中加入铜、EG和不锈钢插条，研究了热传递的转变规律。结果表明，铜和EG均提高了传热速率，但不锈钢插条对传热的改善几乎没有影响，结果表明，在不影响储能性能的情况下，有效地提高热导率的有效方法已经得到了广泛的研究和应用。在研究中，选择多孔材料作为载体材料的制备方法被认为是提高传热性能的有效途径。然而，载体材料和PCMS之间的简单物理力可能会导致大量的融冰循环后的泄漏和碰撞，此外，在应用中容易受到冲击和破碎，也会导致PCM的泄漏。在相变过程中，封装复合PCM以防止液态脂肪酸泄漏是必要的。本文以十二烷基月桂酸棕榈酸（LA-MA-PA）三元共晶混合物为原料，以EG为载体材料制备LA－MA-PA/EG复合相变材料，为提高其整体性和致密性，将LA—MA-PA/EG复合PCMS封装在一起。用表面处理剂开发高性能EG型封装型稳定储能相变材料，用扫描电子显微镜（SEM）、DIF表征了LA—MA-PA/EG包封型PCM的微观结构、热性能和化学可靠性。采用扫描式量热法（DSC）和傅立叶变换红外光谱法（FT-IR），研究了LA—MA-PA/EG包覆型稳定相变材料的传热性能。

1 实验

1.1 材料

月桂酸（LA），肉豆蔻酸（MA）和棕榈酸（PA）是国药集团化学试剂有限公司（上海，中国），；特种表面处理剂是一种自制的有机、无机硅溶胶。石墨粉制备EG（100目，膨胀倍数：160，碳含量：99%）是由青岛jinrilai电子材料有限公司提供，中国。在微波炉中用800 W处理15秒的微波法制备EG。

1.2 LA-MA-PA三元共晶混合物的制备

通常，脂肪酸在固态时完全不混溶，而在没有化学反应的液体状态下具有高的互溶性，在熔融状态下混合脂肪酸可以获得具有预期相变温度的共晶混合物。为了降低相变温度，根据最低共晶点理论，将LA、MA和Pa混合均匀，获得最低共晶点。根据相图热力学计算导出的SrRaRdR方程，通过推导公式计算出共晶点比例和相变温度。首先，计算了LA-MA共晶混合物的参数，并将其整体考虑，然后加入PA，用递归法获得了La－Ma－Pa共晶混合物的热性能参数和质量比，确定了三元共有物的质量比。IC混合物为La∶Ma∶Pa＝49. 54∶31. 77∶18. 69，相变温度和相变潜热分别为29. 81℃和158. 68 J/g。

在共晶比为plusmn;0. 2 mg准确度的情况下，将LA、MA和PA置于烧杯中，然后置于60℃水浴中，直到脂肪酸完全熔化，混合物在超声浴中振动10分钟，以确保均匀混合。

1.3 LA-MA-PA/EG复合相变材料的制备

将不同质量比的脂肪酸混合物加入到EG中，分别在六个烧杯中采用熔融吸收法制备一系列LA-MA-PA/EG复合相变材料，制备的LA-MA-PA/EG复合PCM在50℃烘箱中加热24小时，以提高均匀性。对三元脂肪酸混合物的吸附，每8小时搅拌一次，然后冷却至室温，通过评价热处理后滤纸上的漏印，确定脂肪酸与EG的最佳比例。

1.4 LA-MA-PA/EG型稳定PCMS的封装

将制备的LA-MA-PA/EG复合PCMS放置在破碎机中，加入表面处理剂将样品浸入，制备LA-MA-PA/EG包封稳定PCM，然后进行10分钟超声分散处理。将被包裹的样品通过200目过滤织物过滤，然后在空气中干燥。

1.5 表征

用SEM（日立SU8

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