新型无机水合盐定形复合相变材料的制备及性能

发布时间：2020-03-24 17:25

【摘要】：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/H_2O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/H_2O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(SiO_2)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/SiO_2的定形复合PCM。分析了SiO_2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SiO_2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SiO_2孔隙的约束效应以及SAT-urea混合物与SiO_2的表面羟基的相互作用,SiO_2可以作为温度调节剂来调节相变材料的相变温度(在34.36~50.82℃之间)。同时,SiO_2的加入可以显著降低SAT-urea混合物的过冷度,防止其泄漏。含SiO_2质量分数为30%的SAT-urea/SiO_2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SiO_2的微孔及部分介孔中。XRD和FT-IR结果证实SiO_2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。
【图文】：

示意图,低温热水,示意图,采暖方式

图 1-1 低温热水地板辐射采暖示意图[12]1-1 Schematic diagram of low temperature hot water floor radiant h射采暖的优点方式主要包括空调和暖气，是通过对流传热的方式加热室内空们以局部热源进行加热，加热温度由距热源远近来决定，离热就越低，室内的横向温度分布十分不均匀；而且垂直方向上温至上随高度增加而增加，其温度分布曲线与人体生理需求（头人的舒适感较差。而地板辐射采暖作为一种先进的采暖方式，，具有明显的优势，主要表现在以下几个方面：舒适性好首先，与传统采暖方式相比，地板辐射采暖室内温上呈现负温度梯度，且垂直梯度小，提供一个“足热头寒”的

采暖方式,室内温度分布

图 1-2 不同采暖方式下的室内温度分布对比[13]Fig. 1-2 Comparison of indoor temperature distribution under different heating method（2）节能环保第一，地板辐射采暖可利用太阳能、余热水等低品味热源；第二辐射采暖主要以热辐射形式换热，热量集中在人体受益的高度内，热效率较高，因使房间设计温度比传统采暖方式低 2~3℃，也能达到相同的热舒适感，从而节省采耗。第三，地板辐射采暖使用低温热媒，传送过程热损失较小。（3）节约建筑面积传统的散热器采暖得散热设备和管道安装在室内，这不仅降低间的有效使用面积而且影响美观。地板辐射采暖的加热元件或水管是都设置在地下基本不占用室内的有效面积，不影响房间装修与布置。此外，考虑到现下房价居高的形势，使用地板辐射采暖在经济上更具有优势。（4）良好的室内环境传统采暖方式是通过强制对流来与室内空气进行换热，因此产生扬尘以及加速有害病菌的扩散。相反，地板辐射采暖主要以热辐射方式来散热
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU832;TB34

【参考文献】