氧化石墨烯-二氧化硅杂化气凝胶的制备及其复合相变材料的性能研究

发布时间：2021-08-28 19:57

　　目前,相变材料与太阳能相结合的技术方案中大多以提高相变材料的导热系数为主要研究目标。但散热速率随着换热速率的增加而增加,在一些应用场景需要光热转化与隔热保温双重性能的相变储能材料,如日光温室和光照时间长但昼夜温差大地区、日光温室和地暖辐射系统等。因此,探索一种具有隔热保温和光热转化双重性能的相变材料极为重要。本文选择隔热性能良好的二氧化硅气凝胶基质吸附十八醇制备复合相变材料。但二氧化硅和十八醇均不具备光热转化性能,因此,在制备二氧化硅气凝胶的过程中,将具有良好光热转化性能的氧化石墨烯掺入二氧化硅气凝胶中,得到杂化气凝胶。之后用杂化气凝胶吸附十八醇,得到一种具备光热转化和隔热保温双重性能的新型复合相变材料。制备杂化气凝胶过程时,我们采用溶胶-凝胶法制备凝胶,然后将凝胶浸于有机溶剂中进行溶液置换和疏水改性,最后在常压条件下干燥湿凝胶得到杂化气凝胶。测试了气凝胶与水的接触角、气凝胶的密度和孔隙率、比表面积和孔径、热稳定性、红外光谱、拉曼光谱和导热性能。之后对复合相变材料进行了泄漏实验,用差示扫描量热仪测其相变潜热和相变温度、热重分析仪测试其热稳定性、高低温循环箱测试其循环稳定性,并利用模拟太... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

二氧化硅气凝胶的微观结构[53]

华南理工大学硕士学位论文101.3.3.6二氧化硅气凝胶多孔材料二氧化硅是一种重要的无机非晶材料，具有无毒、熔点高、比表面积大、热稳定性好、力学性能好、导热性好、储存容量大等优点，可作为良好的载体材料。此外，SiO2还是一种良好的多孔耐火材料。图1-1二氧化硅气凝胶的微观结构[53]Fig1-1Microstructureofsilicaaerogel图1-2二氧化硅气凝胶的宏观状态和性质(a)粉末状；(b)块状；(c)隔热、阻燃特性Fig1-2Themacroscopicstateandpropertiesofsilicaaerogel(a)powderform;(b)block;(c)thermalinsulationandfire-retardantproperties二氧化硅气凝胶由纳米SiO2聚集而成，其内部结构如图1-1所示。二氧化硅气凝胶是一种以空气为分散介质的固体多孔材料，被称为“蓝色的烟”，有固体和粉末两种形态（如图1-2(a)和(b)所示）。目前报道二氧化硅气凝胶密度最低为3mg/cm3，孔隙率在80%以上，二氧化硅气凝胶的孔通常以介孔为主，孔径在5~100nm之间，平均孔径为20~40nm，比表面积可达1000m2/g[54-55]。二氧化硅还是一种超级隔热材料，导热系数低至0.013W/m·K，二氧化硅气凝胶在现有材料中导热系数最低，已被应用于航空航天领域。美国

第一章绪论13老化程度能够得到坚强的凝胶网络结构，在干燥过程中能承受更大的表面张力和毛细管力，并且老化时间越长，得到的凝胶骨架越坚强，适当提高老化温度可缩短老化时间。陈化是指将湿凝胶浸于母液中或硅烷混合溶液中进行强化。研究发现陈化后得到的气凝胶的性能较未陈化的要好得多[63]。在原料中增加控制干燥的化学添加剂不仅能增大气凝胶的孔径，使气凝胶形成相对均匀的孔，还能减少常压干燥过程中因孔径不均匀而产生的内应力差。常见的干燥控制剂有二甲基甲酰胺、甲酰胺、乙二醇、聚乙二醇和丙三醇等[64]。用低表面张力的溶剂置换湿凝胶中的水和乙醇，并对凝胶表面进行烷基化处理，是目前研究最多的常压下制备二氧化硅气凝胶的方法。湿凝胶内的乙醇和水被异丙醇和正己烷等低表面张力的有机溶剂置换后，再用表面改性剂对凝胶做进一步处理，可以有效排除气凝胶中的极性溶剂，毛细管力进一步减小，而且减弱了凝胶结构中的硅烷醇基团之间的作用力，继而有效避免常压干燥过程中凝胶的过度收缩和结构的坍塌。除此之外，得到具有疏水性能的硅气凝胶能避免受到周围水分子的影响，保持原有性能，与有机相变材料也能有更好的相容性。整个疏水改性过程和发生的反应如图1-3所示。图1-3二氧化硅气凝胶疏水改性中发生反应的示意图[65]Fig1-3SchematicdiagramofthereactionduringthehydrophobicmodificationofsilicaaerogelPradipB.等[66]用正硅酸乙酯为原料，采用酸碱两步法，并用三甲基氯硅烷为改性剂对湿的硅气凝胶进行改性，在常压条件下对其干燥，制备出具有高比表面积的的二氧化硅气凝胶，所得到的气凝胶最大的比表面积可达1108m2/g。

【参考文献】：
期刊论文
[1]脂肪酸相变储能材料热性能研究进展[J]. 顾庆军,费华,王林雅,方敏,蒋达华.  化工进展. 2019(06)
[2]光热转换功能材料研究进展[J]. 韩朋,姜超,张晓红.  石油化工. 2019(05)
[3]棕榈酸/膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究[J]. 胡芃,于晶晶,王向往.  工程热物理学报. 2017(03)
[4]脂肪酸类相变储能建筑材料的研究及应用[J]. 李琳,琚诚兰,戴浩,李东旭.  现代化工. 2015(08)
[5]SiO2气凝胶材料的制备、性能及其低温保温隔热应用[J]. 张志华,王文琴,祖国庆,沈军,周斌,连娅.  航空材料学报. 2015(01)
[6]微胶囊相变材料研究进展[J]. 李钰,邢建伟,陆少峰.  粘接. 2014(12)
[7]膨胀石墨基复合相变储能材料的研究进展[J]. 王淑萍,徐涛,高学农,方晓明,汪双凤,张正国.  储能科学与技术. 2014(03)
[8]有机/无机复合定形相变材料的制备及应用研究进展[J]. 葛治微,李本侠,王艳芬,刘同宣.  化工新型材料. 2013(12)
[9]常压干燥制备二氧化硅气凝胶[J]. 吴国友,程璇,余煜玺,张颖.  化学进展. 2010(10)
[10]插层法制备硅酸盐层柱材料研究进展[J]. 杜旭杰,李国昌.  硅酸盐通报. 2009(06)

博士论文
[1]二氧化硅气凝胶研制及其结构性能研究[D]. 郑文芝.华南理工大学 2010

硕士论文
[1]纳米限域下聚乙二醇的储热性能和十七醇的相行为研究[D]. 田方.山东农业大学 2017
[2]SiO2气凝胶隔热复合材料的制备及热湿性能研究[D]. 张玉会.广州大学 2017
[3]氧化石墨烯复合材料的制备及其对铅离子的吸附性能研究[D]. 孟晗.南京理工大学 2017
[4]石墨烯环氧树脂复合材料的拉曼光谱研究[D]. 赵凡宇.东南大学 2016
[5]膨胀石墨基复合中温相变储热材料的制备及性能研究[D]. 王淑萍.华南理工大学 2014
[6]中低温定形相变储能材料的研究[D]. 方春香.北京工业大学 2006



本文编号：3369148