纳米蓄能传热材料的合成及性能研究

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近几十年来,相变材料成为国内外研究热点。相变材料以潜热的方式储存和释放大量热量。这一特性使其成为理想的储热介质,可用于解决可再生能源中供求不平衡的问题。然而,在相变材料使用中,存在液体渗漏、热导低、相变时产生体积变化、存在过冷和相分离等问题。上述问题限制了相变材料使用范围。为使相变材料更具应用价值,本文采用新制备工艺,较好解决了有机相变储能材料存在的渗漏、相变时产生体积变化等问题和无机相变材料难封装、存在过冷和相分离等问题。本文第一章介绍了蓄能技术概况,包括发展背景、原理、特点和研究范围。第二章介绍了采用回流冷凝法制备十八烷/聚苯乙烯/膨胀石墨三元相变储能复合材料,并研究其热物理性能;第三章介绍了采用乳液聚合法制备纳米级十水硫酸钠/二氧化硅微胶囊,并研究了其热物理性能。本文还介绍了三角银纳米颗粒(TSNPRs)的性能和制备方法,第四章的内容是有关三角纳米银的背景、合成方法、合成机理,并研究了其物理性能。1.有机定型复合相变储能材料的制备及性能研究采用回流冷凝法制备复合定型相变材料。在复合相变材料中,十八烷(ODE)作为储能材料进行热能存储,聚苯乙烯(PS)用作支撑材料,膨胀石墨(EG)用于提高热导,也能防止ODE热熔后的泄漏。理想的复合材料的熔化温度27.5℃,潜热值98.05 J/g,热导值为1.01 W/m·K,比未添加EG的复合材料的热导高出近7倍。实验中还发现添加1wt%的膨胀石墨使复合相变材料焓值增大。经过100次加热-冷却循环,复合相变材料仍具有良好的热性能。2.无机芯微胶囊相变材料的制备及性能研究采用乳液聚合法制备纳米级十水硫酸钠/二氧化硅微胶囊相变材料。以十水硫酸钠(Na2SO4·10H2O)为储能材料进行热能存储,以正硅酸乙酯(TEOS)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTS)水解生成二氧化硅(SiO2)做为外壳材料,并使外壳修饰有氨基官能团。SiO2壳既能增强微胶囊热稳定性,防止Na2SO4·10H2O泄漏,又由于介孔约束效应,成功抑制了 Na2SO4·10H2O相变中存在的过冷度和相分离,而氨基功能团使得SiO2外壳具亲水性,可有效吸附住壳内水分,对保持Na2SO4·10H2O中的结合水有重要意义。采用曲拉通(Triton X-100)为乳化剂和稳定剂,Triton X-100的添加量可有效调控微胶囊尺寸,随着添加量增加,微胶囊尺寸由28 μm逐渐变小至500 nm。理想的Na2SO4·10H2O/SiO2微胶囊相变材料的熔点为33.6℃,潜热为125.6J/g,尺寸为500nm。3.三角纳米银的制备及性能研究贵金属纳米材料一直处于材料科学研究前沿。典型的贵金属:三角形纳米银(TSNPRs)被广泛用于表面增强拉曼散射(SERS)、光学传感器、太阳能电池、导电胶中的导电填料、广谱抗菌试剂、催化剂和生物检测等领域。三角形纳米银也是优异的热界面材料,可用于提高蓄能材料热导。本文分别采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)介导法和光介导法合成三角纳米银。PVP导向生长法制备三角纳米银。先构建水/聚乙烯吡咯烷酮/正戊醇三相微反应体系,利用PVP弱还原能力和选择性贴附晶面能力,使Ag+离子各向异性还原生成三角纳米银。通过添加氢氧化钠戊醇溶液(SHPS)调节反应溶液的pH值,可改变TSNPRs的尺度和形貌。改变SHPS加入量,可获得从30nm到100nm内任一尺度的纳米银片,产量达20mg,实验复现率高。采用有机碱(DMF、甲酰胺)调控反应溶液pH值,可获得尖角完整的三角纳米银片,但尺寸分布范围增大。该方法所制备的三角纳米银包覆有PVP,具良好的生物相容性和单分散性。光介导法制备三角纳米银。加套不锈钢罩提高了光利用率,使纳米银产量在现有基础上提高8倍,达1.5mg。NaBH4还原AgNO3生成大量晶核,水中氧气将较小的晶核氧化成Ag+离子,后在可见光辐照驱动及柠檬酸三钠选择性吸贴晶面共同作用下,Ag+离子在较大的晶核表面还原沉积,各向异性生成片状三角形纳米银。该方法所合成的银纳米颗粒形貌规整、尖角完整、尺寸分布均匀,但产量少、易团聚。纳米颗粒表面包覆有柠檬酸根,带负电荷。
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