聚乙二醇相变复合材料的制备及其导热性能研究

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相变材料(PCMs)因为具有较高的储能密度和温度可调控的优点,在太阳能利用、节能建筑、航空航天、电子器件等领域具有重要的应用。聚乙二醇(PEG)是最常见的有机固-液相变材料,但是PEG在应用过程中存在易泄露以及导热系数低等问题。PEG在固液相变过程中产生的液体泄漏给PEG的应用带来了极大的不便,同时较低的导热系数会直接导致相变材料的相变储放热反应时间长,储能利用率低,容易产生过热,严重影响相变材料的储能效率。因此,目前如何将PEG转变成定形相变材料(FSPCMs)和提高相变储能材料的导热能力是一项重要的研究课题。针对这些问题,开展了以下三部分的工作:(1)以PEG为相变材料,以具有不同形状的代表性无机粉体(片状BN,不规则纳米CaCO3、球形Al2O3)为填料,分别制备PEG二元导热复合材料,对比探讨三种无机填料对PEG导热性能和相变性能的影响。实验结果表明,相比于碳酸钙和氧化铝,在相同添加含量下,氮化硼(BN)可有效提高PEG的导热系数,当BN质量分数为40%时,导热系数可达到3.40 W·m-1·K-1;当填料添加量相同时,片状氮化硼和不规则纳米碳酸钙比球形氧化铝对PEG具有更加优良的定形效果,在相变过程中,能够更加有效地阻隔PEG的流动,保持复合材料的形状稳定性。(2)引入液晶环氧(EO)共价交联网络,通过熔融共混的方式制备EO/PEG共混物。实验结果显示,EO交联网络对于PEG具有良好的定形效果,且当PEG的含量为70%时,大部分PEG在EO/PEG共混物中以结晶形式存在,保持了PEG优异的相变特性。同时,以BN为导热填料,进一步制备导热增强相变复合材料,研究BN对EO/PEG共混物导热性能的影响,研究发现,BN在EO/PEG共混体系中具有良好的分散性。在质量分数为40%时,制备的相变复合材料的导热系数可达到2.94 W·m-1·K-1,且保持较高的相变焓及优异的相变稳定性。(3)基于第二章的启示,第三部分选择具有高导热系数的石墨烯(GR)为填料,优化制备工艺,先将PEG与GR形成共混物,通过熔融共混方式将PEG引入GR片表面,首先制备具有超高导热性能的PEG/GR共混物,结果显示,通过热压方式成型的PEG/GR共混物的导热系数高达15.25 W·m-1·K-1。在此基础上,通过添加环氧单体以及固化剂,固化成型制备EO/PEG/GR三元相变复合材料。结果显示,所制备的复合材料的导热系数最高可以达到10.17 W·m-1·K-1,同时具有优异的力学性能,而且该复合材料在100℃条件下加热5 h后,无PEG液体泄漏,证明复合材料具有优异的相变稳定性。
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