聚氨酯基柔性定形相变材料的制备及性能研究

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有机固-液相变材料在一定温度范围内通过发生固态-液态的相转变,实现热能的储存与释放及温度调节功能,具有储热密度高、相变温度适宜、无毒、无腐蚀等优点,但存在结晶刚性大、韧性差及相变后流动的问题,因此,通常将有机固-液相变材料浸渍于柔性基体中赋予其柔韧性,但浸渍的相变材料在结晶后的本征刚性问题难以克服,只有在相变温度以上才呈现较好的柔性。针对上述问题,本论文设计合成了线性结构的聚氨酯基柔性定形相变材料与交联结构的聚氨酯基柔性定形相变材料,进一步在上述体系引入碳纳米管,赋予其光热转换、热能存储功能和导热增强的特性。以聚乙二醇(PEG)为相变组分、以甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)为连接单元、以氨丙基封端的聚二甲基硅氧烷(APDMS)为柔性链段,通过缩聚反应,制备了线性聚氨酯基柔性定形相变材料(PU-APDMS)。PU-APDMS具有优异的定形相变性能和良好的热稳定性,其相变焓值最高为88.3 J/g。APDMS的加入使PU-APDMS在室温下可弯曲,在5.57 MPa的应力下,其断裂伸长率达到21.4%,具有良好的机械性能。以PEG为相变组分,以三苯基甲烷三异氰酸酯(TTI)为交联剂,反应得到交联网络结构的相变聚氨酯,并以此为支撑结构,进一步负载PEG和柠檬酸三丁酯(TBC),通过热压压延成膜,制备了交联聚氨酯基柔性定形相变材料(PUX/TBC)。PUX/TBC具有优异的定形相变性能和良好的热稳定性,其相变焓值最高为128.0 J/g。TBC的加入使PUX/TBC在室温下可弯曲,在4.01 MPa的应力下,其断裂伸长率达到12.2%,具有良好的机械性能。分别以制备的线性结构聚氨酯基柔性定形相变材料与交联结构聚氨酯基柔性定形相变材料为基质,向其引入碳纳米管(CNTs)以增强其功能性,制备了系列线性/交联聚氨酯基/碳纳米管复合柔性定形相变材料(PU-APDMS/CNTs和PUX/TBC/CNTs)。上述相变材料的相变焓值分别为84.8 J/g和107.6 J/g,定形相变效果好,热稳定性高,在常温下可弯曲,光热转换与热能存储效率分别为67.2%和72.3%。与未加CNTs的相变材料相比,上述体系的升降温速率分别提高了3.32倍和1.68倍,可应用于柔性散热片的热管理。
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