三元低共熔脂肪酸复合相变材料的制备及热性能研究

发布时间：2018-01-13 11:40

  本文关键词：三元低共熔脂肪酸复合相变材料的制备及热性能研究　出处：《广东工业大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：脂肪酸类相变材料具有高熔融潜热、过冷度低、无毒、稳定性好、与建筑材料相容性好等优点,应用于建筑节能,可有效降低室内温度波动,改善室内环境的舒适性,成为建筑节能领域研究热点之一。脂肪酸类相变材料研究目前主要集中在单一及二元低共熔脂肪酸,对三元低共熔脂肪酸相变材料研究甚少。本文以单一脂肪酸为原料,制备三元低共熔脂肪酸,研究其固-液相变动力学和热性能；以三元低共熔脂肪酸为相变材料,有机改性蒙脱土、膨胀石墨为基质,制备免封装多孔(层)复合相变材料,对其热性能进行研究；以三元低共熔脂肪酸／膨胀石墨复合相变材料、建筑石膏粉为原料,制备相变石膏板,并用数值模拟和实验法对其传热性能进行模拟和验证。研究结果如下：(1)选取5种单一脂肪酸,按三元复配获得10种三元低共熔脂肪酸,使用DSC分析三元低共熔物的相变温度和相变潜热,筛选出3种满足建筑节能要求的三元低共熔脂肪酸的组合与质量配比：CA(癸酸)-MA(肉豆蔻酸)-PA(棕榈酸)=7：2：1、CA-MA-SA(硬脂酸)=7：2：l和CA-PA-SA=8:1:1;据热力学第二定律和最低共熔理论,计算出三元低共熔脂肪酸质量配比为CA-MA-PA=7.31:1.94:0.75、CA-MA-SA=7.09:1.88:1.03、CA-PA-SA=7.70:1.15:1.15。比较后发现实验值和计算值非常接近,理论计算方法可用于三元低共熔脂肪酸相变材料的组合和质量配比的选择。对三元低共熔脂肪酸的性质与性能进行了研究。FT-IR谱图显示脂肪酸分子间仅是氢键的二缔合,没有发生化学反应。热重分析发现三元低共熔物在100℃℃以下具有良好的热稳定性。500次热循环试验结果：CA-MA-PA; CA-MA-SA; CA-PA-SA相变温度和相变潜热变化了-0.88%,0.06%；-0.78%,1.77%；-0.08%,1.57%,三元低共熔物具有良好的热循环稳定性。蓄／放热试验和温度阻尼率表明三元低共熔物具有较好的温度调控作用,满足建筑相变节能材料性能的要求。但三元低共熔脂肪酸是固-液相变材料,固-液相变时会发生液态的宏观流动,不宜直接应用于建筑节能材料。根据Kissinger动力学法计算三元低共熔脂肪酸固-液相变活化能Ea在250～350kJ·mol-1,相关系数平方R20.91,ln(β/Tρ2)与(1/Tp)线形关系显著。三元低共熔脂肪酸固-液相变的反应级数均为1左右,说明三元低共熔脂肪酸固-液相变反应是一级反应。(2)以三元低共熔脂肪酸为相变材料,有机改性蒙脱土(OMMT)为支撑材料,制备三元低共熔脂肪酸/OMMT复合相变材料,确定3种复合相变材料的最佳质量配比：CA-MA-PA:OMMT=7:3,相变温度和相变潜热分别为21.06℃和103.40 J·g-1; CA-MA-SA:OMMT=7:3,相变温度和相变潜热分别为20.14℃和89.14J·g-1; CA-PA-SA:OMMT=6:4,相变温度和相变潜热分别为24.56℃和91.81 J·g-1。FT-IR和X-RD测试结果表明,三元低共熔脂肪酸与OMMT只是简单的嵌合关系；SEM观察到复合相变材料呈厚片层状,片层边缘钝化,且片层间有明显粘连团聚现象,与OMMT电镜图对比,可观察到复合相变材料中的三元低共熔脂肪酸与OMMT有较好的相容性；蓄／放热试验和温度阻尼率表明3种三元低共熔脂肪酸/OMMT复合相变材料具有较好的温度调控作用；TG实验表明,CA-MA-SA/OMMT的质量损失主要来源于CA-MA-SA的热分解失重,因OMMT对CA-MA-SA起保护作用,主要失重温度区间向高温移动11℃,CA-MA-SA/OMMT在120℃以下具有良好的热稳定性；CA-PA-SA/OMMT的相变温度和相变潜热在经历500次冷热循环后变化幅度在0.05%以内,说明其长期稳定性良好；CA-MA-SA/OMMT的导热系数为0.352 W·m-1·K-1,较CA-MA-SA的导热系数低。研究了CA-MA-SA/OMMT的固-液反应动力学,Ea=14.22kJ·mol-1,验证CA-MA-SA和OMMT司是嵌合关系,室温即可进行；根据峰形指数求得反应级数在1.16-1.20,CA-MA-SA/OMMT固-液反应级数是1.2。(3)以三元低共熔脂肪酸为相变材料,膨胀石墨为支撑材料,通过真空吸附法制备三元低共熔脂肪酸/膨胀石墨(EG)复合相变材料,3种三元低共熔脂肪酸与EG的最佳质量配比均为13：1,相变潜热121.75～143.64J·g-1,与理论计算潜热值十分接近。FT-IR和X-RD测试结果表明,复合相变材料中相变材料和EG间没有发生化学反应,是物理共混体系；SEM观察到石墨膨化后生成丰富网状微孔的蠕虫状EG,三元低共熔脂肪酸均匀的分布在EG的多孔结构中,二者相容性好；蓄／放热试验和温度阻尼率表明3种三元低共熔脂肪酸/EG复合相变材料具有较好的温度调控作用；TG实验表明,CA-PA-SA/EG的质量损失主要来源于CA-PA-SA的热分解失重,因EG对CA-PA-SA起保护作用,主要失重温度区间向高温移动20℃,CA-PA-SA/EG在130℃以下具有良好的热稳定性；500次冷热循环后,复合相变材料的热物性无明显衰减,相变温度变化±1℃,相变潜热变化±2%,证明其长期稳定性可靠；CA-MA-PA/EG、CA-MA-SA/EG和CA-PA-SA/EG的导热系数分别为1.64 W·m-1·K-1、1.38 W·m-1·K-1和1.87W·m-1·K-1,较三元低共熔脂肪酸的导热系数提高298%。三元低共熔脂肪酸/EG复合相变材料的固-液相变动力学,Ea=9.038KJ·mol-1,验证三元低共熔脂肪酸和EG间是物理吸附,不是化学吸附(Ea85KJ·mol-1),室温即可快速进行；由峰形指数求得反应级数在1左右,三元低共熔脂肪酸/EG复合相变材料的固-液相变是按一级反应进行。(4)以高导热系数CA-PA-SA/EG和建筑石膏粉为原料,采用直接加入法制备相变石膏板,添加4%的玻璃纤维增强相变石膏板的强度。DSC测试结果表明,10%掺量相变石膏板的相变温度22.53℃,相变潜热14.20 J·g-1,且随着掺量的增大,相变温度和相变潜热增大,当掺量超过30%后,石膏板易碎裂。抗压强度实验表明,随着复合相变材料掺量的增加,抗压强度下降。结合相变潜热和抗压强度,选取复合相变材料的掺量为20%。基于ANSYS软件建立数学模型,对相变石膏板的相变过程进行模拟分析,并进行实验验证,模拟计算结果表明,模拟结果与试验结果基本一致,可以采用数值模拟实现试验预测。当热源或冷源在相变石膏板的左右两侧时,相变石膏板的温度升高达到相变温度时,相变房间的温度波动幅度小,并在一定温度下延续一段时间。当热源或冷源在相变石膏板顶端时,因相变房间和普通房间的环境温度迅速被加热,相变石膏板对周围温度的影响不显著,但相变石膏板对比石膏板有明显差异。实验考察不同掺量(10%、20%、30%)相变石膏板的蓄/放热性能,随着复合相变材料掺量的增加,相变石膏板对环境温度的影响越大,即控温能力越强,调控时间越长。温度阻尼系数γ在17.26%-84.66%,随着CA-PA-SA/EG掺量的增加,温度阻尼率逐渐增大,掺量越高,相变石膏板模型内温度变化越慢,其调温能力越强。100次冷热循环实验说明相变石膏板具有良好的循环稳定性。
[Abstract]:The properties and properties of ternary eutectic fatty acids ( CA - MA - PA ) - PA ( palmitic acid ) = 7 : 2 : 1 , CA - MA - SA ( stearic acid ) = 7 : 2 : l and CA - PA - SA = 7.09 : The results of thermal gravimetric analysis show that the ternary eutectic has good thermal stability at 100 鈩，

本文编号：1418709