论文部分内容阅读
地板辐射采暖具有热舒适性好、能耗低、可利用多种等低品位能源以及占地空间小等优点,在新建住宅和商业建筑中日益普及。将相变材料(PCM)应用在地板辐射采暖中可以很好地平衡电网用电负荷,实现电力的“移峰填谷”。水合盐价格低廉、相变潜热高和不易燃,在地板辐射采暖中有很大前景应用,但其过冷、相分离以及泄露问题阻碍了其推广。针对上述不足,本文致力于高性能水合盐定形复合相变材料的制备及性能研究,以推动其在地板辐射采暖中的实际应用。主要工作如下:首先,以结晶醋酸钠(SAT)为相变材料主体,尿素(urea)为温度调节剂,十二水磷酸氢二钠(DSP)和蔗糖分别作成核剂和助成核剂,制备了SAT-urea非共晶混合物相变材料。优化了非共晶混合物中尿素、成核剂和助成核剂添加量;探究了添加剂对非共晶混合物相变性质及结晶形貌的影响,并考察了其热稳定性和热可靠性。结果显示:在尿素、DSP和蔗糖分别为8 wt%、1.5 wt%和2 wt%条件下,所得非共晶混合物相变材料的相变温度适宜(50.82℃)、焓值较高(245.4 kJ×kg-1)、过冷度低(2.51℃)。光学显微镜观察到DSP和蔗糖的加入可促进SAT-urea基体的成核。差示扫描量热法(DSC)、傅里叶红外(FT-IR)和X-射线衍射(XRD)表征表明,SAT-urea混合物是非共晶的,且SAT与尿素之间是物理作用。经历100次循环后,相变材料的过冷度、相变焓以及相变温度变化较小。其次,以多孔膨胀石墨(EG)作为载体和导热系数增强剂,利用EG的毛细管作用与SAT-urea非共晶混合物复合,制备了适用于地板辐射采暖的相变换热器用SAT-urea/EG定形复合PCM。讨论了EG质量分数对SAT-urea混合物相变性质、过冷度和定形性能的影响,优化了EG质量分数。对获得的定形复合PCM的表观形貌、孔结构、化学组成、晶体结构进行表征;对其热稳定性、导热系数、热可靠性以及蓄热-放热过程进行了研究。结果显示:EG的加入可显著提高SAT-urea混合物导热系数、降低过冷度以及防止其在熔化过程泄露。含有EG质量分数为12%的定形复合PCM在具有良好定形性能前提下,相变温度适宜(48.46℃),相变焓值高(216.8 kJ·kg-1),过冷度低(1.93℃),导热系数高(表观密度为0.98 g?cm-3时为4.188 W?m-1?K-1)。扫描电子显微镜(SEM)和孔结构分析结果表明,EG的孔隙基本被SAT-urea混合物所填充。FT-IR和XRD结果显示,SAT-urea混合物和EG之间是物理结合,没有化学作用。经过200次冷-热循环后,定形复合PCM的相变焓、结晶性能及相变温度等变化较小。第三,以五水硫代硫酸钠(STP)为芯材,聚氰基丙酸乙酯(PECA)为壳材,采用界面聚合法制备了STP@PECA微胶囊PCM。探讨了STP/H2O质量、芯壳质量比为4:2、表面活性剂用量对微胶囊相变性质的影响;用SEM及其电子能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、FT-IR和XRD表征了微胶囊的微观结构、表面元素组成、化学组成、晶体结构;并研究了其相变性质、热稳定性和热可靠性。结果显示:选用STP/H2O质量比为6:4,芯壳质量比为4:2,表面活性剂质量分数为5%所获的微胶囊相变焓最高。SEM和TEM结果表明,微胶囊近似球形,具有典型的“核-壳”结构;粒径约1.0μm,其表面致密,但存在部分褶皱。由于STP的限制性结晶以及PECA壳材的异相成核效应,所制备微胶囊的相变温度(46.44℃)略低于纯STP(48.45℃),相变焓为107.0kJ?kg-1,包覆率为51.1%。TGA和冷热循环实验表明,所得微胶囊热稳定性得到改善,热可靠性良好。最后,以SAT-urea混合物作为PCM,亲水性气相二氧化硅(SiO2)作为载体和温度调节剂,制备了适用于地板辐射采暖的相变地板用SAT-urea/SiO2的定形复合PCM。分析了SiO2的质量分数对SAT-urea混合物相变性质、过冷度以及定形性能的影响;初步阐述其调温机理;优化了SiO2的质量分数。用BET、SEM、FT-IR、XRD表征手段探究了定形复合相变材料的形貌、孔结构、化学组成以及晶体结构;考察了热稳定性、导热系数、热可靠性。结果显示:由于多孔SiO2孔隙的约束效应以及SAT-urea混合物与SiO2的表面羟基的相互作用,SiO2可以作为温度调节剂来调节相变材料的相变温度(在34.3650.82℃之间)。同时,SiO2的加入可以显著降低SAT-urea混合物的过冷度,防止其泄漏。含SiO2质量分数为30%的SAT-urea/SiO2定形复合PCM拥有良好的定形性能,合适的相变温度(35.75℃),高的相变焓(151.6 kJ?kg-1)和低的过冷度(1.14℃),可应用于相变地板。SEM和孔结构分析结果表明,非共晶混合物主要分散到SiO2的微孔及部分介孔中。XRD和FT-IR结果证实SiO2与SAT-urea混合物通过物理相互作用结合。经过200次循环,所制备的复合PCM仍然保持了良好的结晶结构和结晶能力;在不同的循环次数后,可以观察到相变温度和相变焓的微小变化。