碳纳米管复合相变微胶囊制备与能研究

论文摘要

近年来，相变储能材料（phase change material，PCM）成为国内外能源利用和材料科学方面研究的热点。相变储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，因而是提高能源利用率的有效手段。相变材料微胶囊是利用胶囊中的相变材料能在相变温度附近发生固－液（或液－固）相转变而产生热效应的原理来达到吸收、储存或释放热能的效果。目前，相变微胶囊存在热容量低，热传导率低，过冷度高，功能单一，热稳定性低，使用寿命低等局限，本课题通过在传统相变微胶囊中复合碳纳米管，改善传统相变微胶囊的过冷度、热稳定性等性能。本课题以三聚氰胺－甲醛树脂作为壳材，溴代十六烷作为芯材，芯材料/壳材料重量比为5:1，2种不同壳材料的甲醛与三聚氰胺分子摩尔比（F/M）1.8和2.2，3种不同的碳纳米管加入量0g，0.5g和1g，采用原位聚合的方法，在温度较温和的条件下，通过控制聚合速率，实现对相变材料较好的包覆效果，从而制备出碳纳米管复合相变微胶囊。采用温度显示巡检仪测试溴代十六烷加入CNT前后的热学性能变化。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、红外光谱仪（FTIR）、热重分析仪（TG）、差示扫描量热仪（DSC）等测试仪器对相变材料微胶囊的表面形貌、粒径大小及分布、理化性质、热学性质等进行了表征，并对测试结果进行了分析。对微胶囊的测试结果表明：微胶囊的结构呈圆球形，分散状态良好，有少部分粒径在纳米级别的微胶囊存在；微胶囊的粒径分布范围在0.57.5μm，加入碳纳米管后平均粒径降低到2.47μm，且分布集中；碳纳米管的加入对相变微胶囊的晶型不产生影响；高F/M的微胶囊的热稳定性优于低F/M，且随着CNT加入量的增加，微胶囊的热稳定性有增加的趋势，最好的是CNT2.2-1，综合热稳定温度为481.1℃，最差的是CNT1.8-0，综合热稳定温度为427.2℃；在微胶囊包裹率方面，加入CNT后，F/M=1.8微胶囊的包裹率没有明显变化，F/M=2.2微胶囊的包裹率从75.37%降低到了62.22%；在抑制过冷度方面，传统相变微胶囊CNT2.2-0要优于CNT1.8-0，过冷度从9.77℃降低到8.77℃，碳纳米管复合相变微胶囊中CNT1.8-1最好，过冷度缩小到6.84℃，此外，碳纳米管复合相变微胶囊都要优于传统相变微胶囊，而且随着加入CNT量的增加，有提高的趋势。采用干法直接涂层法对涤纶织物进行相变微胶囊涂层整理，测试了经涂层整理后，织物的表面形貌，重量增加，涂层厚度，断裂强力，透气量等服用性能，并重点分析了织物的温度调节性能。对涂层整理织物的测试结果表明：整理后织物在纱线表面形成了一层明显的膜，并附着有相变微胶囊，但是分布不是很均匀；织物增重率在31%32%之间，涂层厚度为0.020.03mm；织物的断裂强力由855N增加到11001200N；透气量在61L m-2s-1左右，约为整理前的1/6；在温度波动范围为-18℃50℃和50℃<sup>-18℃的环境下，经过涂层整理的织物，在升降温的过程中，于在溴代十六烷的相变点附近均出现了约1.5min的温度调节功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 相变材料
• 1.2 相变微胶囊
• 1.2.1 相变微胶囊的制备方法
• 1.2.2 相变微胶囊的应用
• 1.3 碳纳米管复合材料及碳纳米管复合相变微胶囊
• 1.4 相变微胶囊涂层整理织物
• 1.5 课题研究背景
• 1.6 课题研究内容
• 1.6.1 课题研究目标
• 1.6.2 课题的创新点
• 2 实验部分
• 2.1 实验设计
• 2.1.1 工艺参数
• 2.1.2 实验方案
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 溴代十六烷加入 CNT 前后热学性能测试
• 2.2.2 微胶囊的制备
• 2.2.3 涂层整理织物的制备
• 2.3 微胶囊性能评价
• 2.3.1 扫描电镜测试
• 2.3.2 红外光谱分析
• 2.3.3 X 射线衍射分析
• 2.3.4 热重分析
• 2.3.5 差示扫描量热分析
• 2.4 微胶囊涂层织物的性能评价
• 2.4.1 织物重量
• 2.4.2 织物厚度
• 2.4.3 织物断裂强力
• 2.4.4 织物透气量
• 2.4.5 织物的温度调节性能
• 3 碳纳米管复合相变微胶囊表面形貌与粒径
• 3.1 碳纳米管复合相变微胶囊的表面形貌
• 3.2 碳纳米管复合相变微胶囊的粒径
• 3.2.1 微胶囊的粒径
• 3.2.2 工艺参数对微胶囊粒径的影响
• 3.3 本章小结
• 4 碳纳米管复合相变微胶囊的理化性质
• 4.1 碳纳米管复合相变微胶囊的化学结构
• 4.2 碳纳米管复合相变微胶囊的结晶结构
• 4.3 溴代十六烷加入 CNT 前后及碳纳米管复合相变微胶囊的热学性质
• 4.3.1 溴代十六烷加入 CNT 前后热学性质
• 4.3.2 微胶囊的热稳定性
• 4.3.3 热焓值
• 4.3.4 包裹率
• 4.4 碳纳米管复合相变微胶囊的过冷性
• 4.4.1 过冷度测试结果
• 4.4.2 过冷度与工艺参数的关系
• 4.5 本章小结
• 5 碳纳米管复合相变微胶囊涂层整理织物性能
• 5.1 涂层织物表面形貌
• 5.2 织物重量
• 5.3 织物厚度
• 5.4 织物断裂强力
• 5.5 织物透气量
• 5.6 织物温度调节性能
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 6.1 本课题主要结论
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表文章
• 致谢