【摘 要】
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随着世界的经济发展和人口增长,各国对能源的需求日益变大。能源领域至今依然存在着供不应求和时间空间分配不均等问题。相变储能技术能够解决能源利用过程中的分配不均的问题,相变材料用于储能技术在汽车节能、余热回收、建筑保温节能、太阳能蓄热和动力电池热管理等领域具有广阔的应用前景。但相变材料在应用过程中存在泄漏和腐蚀问题,且由相变材料制备而成的相变微胶囊囊芯和囊壁多为有机物,低导热系数限制了其实际应用。针对
【基金项目】
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基于核壳结构相变胶囊的功能流体热质传递特性及调控机理,江苏省自然科学基金,No.BK20180649； 微小通道内相变胶囊热输运过程热质传递特性与微观调控机理,国家自然科学基金,No.51806238；
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随着世界的经济发展和人口增长,各国对能源的需求日益变大。能源领域至今依然存在着供不应求和时间空间分配不均等问题。相变储能技术能够解决能源利用过程中的分配不均的问题,相变材料用于储能技术在汽车节能、余热回收、建筑保温节能、太阳能蓄热和动力电池热管理等领域具有广阔的应用前景。但相变材料在应用过程中存在泄漏和腐蚀问题,且由相变材料制备而成的相变微胶囊囊芯和囊壁多为有机物,低导热系数限制了其实际应用。针对上述问题,本研究选取了一种适宜相变温度的相变材料制备成了一种新型相变微胶囊,并在此基础上用高导热材料对相变微胶囊进行改性,制备了导热性能增强的改性相变微胶囊,对获得一种同时具有良好的储热和导热性能的相变微胶囊具有一定的指导意义。分别对两种相变微胶囊的微观形貌和热物性进行了研究,主要研究内容如下:（1）采用原位聚合法,以酚醛树脂对相变材料正二十烷进行包覆,制备了新型正二十烷/酚醛树脂相变微胶囊。同时研究了乳化剂浓度、芯壁比和搅拌速率等制备条件对相变微胶囊化学结构和微观形貌的影响。FTIR和XRD结果表明芯材未与壁材发生反应,证实了相变微胶囊的成功制备,TEM结果显示相变微胶囊具有明显的核壳和球形结构,SEM结果显示相变微胶囊均呈球形形态,微观形态随着不同的反应条件有一定的粘连和破损现象。当乳化剂浓度为1%,芯壁比为3:6.47,搅拌速率为1000 r/min时,所得相变微胶囊分散均匀,具有光滑的球形表面。（2）对不同条件下制备所得的相变微胶囊的热性能进行测试,研究了乳化剂浓度、芯壁比和搅拌速率对相变微胶囊热性能的影响规律。防泄漏实验结果显示在正二十烷完全相变融化后,相变微胶囊依然保持良好的防泄漏能力,证实酚醛树脂外壳的良好的封装能力。TG结果显示,纯正二十烷在135℃时开始分解,不同芯壁比的相变微胶囊的分解起始温度较正二十烷均有提升,表明所得相变微胶囊外壳可以有效防止芯材的泄漏和高温分解,该相变微胶囊具有良好的热稳定性。当乳化剂浓度为1%,芯壁比为3:6.47,搅拌速率为1000 r/min时,所得相变微胶囊具有最高的相变潜热和包覆率,分别为173.83 J/g和84.2%。对该最佳条件下制备的相变微胶囊进行500次DSC循环测试,结果表明循环前后相变微胶囊的相变特性具有高度一致性,其具有良好的热稳定性和耐久性,为该微胶囊的实际应用提供了可靠的理论依据。（3）为了进一步强化相变微胶囊的导热性能,分别用高导热材料纳米氮化硼和纳米碳化硅对酚醛树脂壁材进行改性,通过原位聚合法制备了两种改性相变微胶囊。FTIR和XRD结果证实成功制备了改性相变微胶囊。同时进一步探究了高导热材料添加量对相变微胶囊微观形貌,热性能和导热性能的影响。结果表明:高导热纳米材料改性后的相变微胶囊表面变得粗糙,但依然呈球形结构,粒径分布均匀,相变潜热和包覆率略有下降,初始分解温度较未改性相变微胶囊均有提升。当氮化硼添加量为4%时,所得改性相变微胶囊Micro PCM-4%BN具有最高的相变潜热和包覆率,分别为145.83 J/g和70.7%,此时导热系数为0.2677W/（m·K）,与未改性的相变微胶囊相比提高了61%。当碳化硅添加量为6%时,所得改性相变微胶囊Micro PCM-6%Si C具有最高的相变潜热和包覆率,分别为131.30 J/g和63.6%。对上述改性相变微胶囊Micro PCM-4%BN和Micro PCM-6%Si C分别做200次DSC循环,结果显示相变曲线具有高度重合性,表明改性后的微胶囊依然保持良好的稳定性和耐久性。
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