以PNIPAm系凝胶为载体的复合相变材料的制备和研究

论文摘要

固-液相变蓄热材料因其具有较大的相变焓而成为目前研究的热点，但有固-液相变蓄热材料在相变过程中有固体变成液体体积变化大，盛装困难。针对这种缺点本文将固-液相变蓄热材料复合到高分子凝胶载体中，制备了一种不需要容器盛装的新型复合蓄热材料。首先，本文作者以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）系共聚凝胶为研究对象，通过引入亲水单体丙烯酰胺（AAm）和疏水单体甲基丙烯酸丁酯（BMA）制备了PNIPAAm、P（NIPAAm-co-AAm）和P（NIPAAm-co-BMA）三种具有不同亲水性的共聚凝胶。实验发现，NIPAAm系共聚凝胶呈现热缩温敏特性，在相转变温度LCST以下，随凝胶亲水性增强，凝胶的LCST升高。研究了三种凝胶在不同浓度的六种钠盐溶液中溶胀行为。结果表明，PNIPAAm系温敏凝胶在六种钠盐溶液中的仍具有热缩温敏特性，与在水中相比，温敏性减弱。20℃时，随着盐溶液浓度的增大，凝胶的溶胀速率减慢，平衡溶胀度减小。凝胶在盐溶液中达到溶胀平衡的时间比在水中达到溶胀平衡的时间长，且三种凝胶在盐溶液中的平衡溶胀度均小于相同温度下纯水中的平衡溶胀度。其次，本文采用自由基聚合法，合成了以PNIPAAm凝胶为载体，棕榈酸和月桂酸的混合物为相变材料有机复合相变蓄热材料；及P（NIPAAm-co-AAm）凝胶为载体，棕榈酸、月桂酸和Na2HPO4·12H2O为相变材料的有机／无机复合相变蓄热材料，采用红外光谱（IR）、示差扫描量热法（DSC）、热重分析（TG）、扫描电镜（SEM）等手段对两种复合材料的结构及热性能进行了表征与分析，研究了有机酸和无机盐的百分含量对复合材料的相变温度和相变焓的影响。结果表明，两种复合材料都随有机酸含量的增加，相变温度升高，相变焓增大，相变材料和凝胶的相容性增强。在150℃之前，两种材料的失重率都只有1％左右。PNIPAAm凝胶与混合酸复合的相变材料，当混合酸的含量达到76％时，材料的相变焓为105 J·g-1。添加Na2HPO4·12H2O的复合材料，相变焓均大于100 J·g-1，随着有机酸和无机盐的质量比例增大，复合材料的相变温度范围变窄。Na2HPO4·12H2O在复合材料中依然保持原来的物性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 相交蓄热材料简介
• 1.1.1 相变蓄热材料的含义
• 1.1.2 常见蓄热方式
• 1.2 相变蓄热材料的分类
• 1.2.1 高温相变蓄热材料
• 1.2.2 中温相变蓄热材料
• 1.2.3 低温相变蓄热材料
• 1.2.4 无机相变蓄热材料
• 1.2.5 有机相变蓄热材料
• 1.2.6 复合相变蓄热材料
• 1.3 蓄热材料研究进展
• 1.3.1 国外进展
• 1.3.2 国内进展
• 1.3.3 应用及存在的问题
• 1.4 选题的背景、意义及研究的主要内容
• 1.4.1 研究背景和意义
• 1.4.2 研究的主要内容
• 第二章 PNIPAAm系共聚温敏水凝胶在盐溶液中的溶胀行为研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂及仪器
• 2.2.2 PNIPAAm系共聚温敏水凝胶的制备
• 2.2.3 PNIPAAm系共聚温敏水凝胶在水中的溶胀行为性能
• 2.2.4 PNIPAAm系共聚温敏水凝胶与盐溶液的相容性
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PNIPAAm系共聚温敏水凝胶在水中的溶胀行为
• 2.3.2 PNIPAAm系共聚温敏水凝胶在20℃盐溶液中的溶胀行为
• 2.3.3 PNIPAAm系共聚温敏水凝胶纯水中的温度敏感性
• 2.3.4 PNIPAAm系共聚温敏水凝胶在盐溶液中的温敏特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 以PNIPAAm凝胶为载体的蓄热材料的制备和研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂及仪器
• 3.2.2 混合有机酸的制备
• 3.2.3 PNIPAm凝胶样品的制备
• 3.2.4 以PNIPAm凝胶为载体的复合蓄热材料的合成
• 3.2.5 样品的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 相变材料的选择
• 3.3.2 红外分析
• 3.3.3 DSC分析
• 3.3.4 TG分析
• 3.3.5 SEM分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 以P（NIPAAm-co-AAm）凝胶为载体的有机/无机蓄热材料的制备和研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要试剂及仪器
• 4.2.2 PNIPAm凝胶样品的制备
• 4.2.3 以P（NIPAAm-co-AAm）凝胶为载体的复合蓄热材料的合成
• 4.2.4 样品的表征
• 4.3 结果与讨论
• 2HPO₄·12H₂O储热性能考察'>4.3.1 Na₂HPO₄·12H₂O储热性能考察
• 4.3.2 红外分析
• 4.3.3 DSC分析
• 4.3.4 TG分析
• 4.3.5 SEM分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录