新型聚合物基定形相变材料的制备和应用模拟研究

论文摘要

相变材料（PCM）在发生相态变化时能吸收/释放大量潜热,而自身温度保持不变或只在很窄的范围内变化。近年来世界各国的研究者对无机、有机、无机/有机混合PCM进行了广泛研究。从相变温度和相变潜热角度考虑,工业化前景较好的低温PCM均为固-液PCM。这类PCM在使用中有液相产生,必须设计专门的容器或采用合适的包封材料对其进行封装,其中采用不同的高分子材料作为基体,对石蜡类固-液PCM进行包封,制备各种定形相变材料（FSPCM）的相关研究是一个热点。本文首次提出并制备了一种新型聚合物基FSPCM,该材料是以木质纤维/热塑性树脂的复合体系为基体,通过在其中添加微胶囊化相变材料（MEPCM）及必要的助剂,经模压加工而成的复合材料。围绕新型聚合物基FSPCM的制备和应用研究,主要做了如下工作:①新型聚合物基FSPCM的制备及性能表征以木粉/高密度聚乙烯（HDPE）复合体系为基体,在其中添加不同含量的MEPCM、不同热导率的改进材料、界面改性剂及其它加工助剂,通过模压法制备出十五种定形相变板材样品。用扫描电子显微镜（SEM）观测了定形相变板材的微观形貌,微观照片表明所制备的定形相变板材的各组分在体系中分布均匀,特别是板材试样中的绝大部分MEPCM颗粒仍然完好,从而证实了模压法制备新型FSPCM的可行性。用差示扫描量热仪（DSC）测定了MEPCM和新型FSPCM试样的相变温度、潜热和比热。结果表明:将MEPCM加入木粉/HDPE复合体系,通过模压法制备新型聚合物基FSPCM,不会改变MEPCM原有的相变温度,所得FSPCM的潜热与MEPCM的添加量成正比,当MEPCM含量达到25wt%左右时,FSPCM的潜热约为28kJkg-1,与国内外同类研究相比处于同一水平。冻融循环稳定性实验表明所制备的新型FSPCM经历100次冻融循环之后,相变温度和潜热的变化较小,表明其有较好的冻融循环稳定性。热失重分析表明所制备的新型FSPCM具有较好的热稳定性。热导率测试结果表明,添加不同的热导率改进材料均能改善新型FSPCM的导热性,改善程度与添加的材料种类和添加比例有关。力学性能测试结果表明,所制备的新型FSPCM的弯曲强度大于10MPa,弯曲弹性模量大体在600 MPa以上,表面硬度约为60HD,基本能满足对装饰板材力学强度的要求。②根据建筑热平衡原理和相变材料特性建立了描述一个典型房间所有围护内部逐时温度场及室内空气逐时温度的数学模型,根据有限差分法用Matlab6.5编写了模拟程序,并对程序进行了理论验证、程序间对比验证和实验验证。利用该程序可对新型FSPCM板材用做建筑围护结构材料的应用效果进行详细的模拟研究。③用上述程序,综合考虑多种因素,特别是电热膜的不同间断运行模式以及蓄热层厚度,对新型FSPCM作为电加热地板辐射采暖系统（以下简称电地暖系统）蓄热层的室温调控效果、节能效果和经济性做了较全面的参数化研究。结果表明:当气象条件、房间朝向、围护结构热工性能及蓄热层自身热物性等确定时,电热膜运行模式和蓄热层厚度对新型FSPCM作为电地暖系统蓄热层的应用效果影响显著。④针对新型FSPCM用作电地暖系统蓄热层时的热物性优化问题,提出了两种优化方法,即稳态计算法和动态模拟法。利用这两种热物性优化方法对将特定厚度的新型FSPCM用作电地暖系统蓄热层时的热物性进行了优化,得到了有意义的结果。将上述两种优化方法结合使用,可为MEPCM的研发、新型FSPCM板材的配方设计提供理论指导,并可为电地暖系统的设计施工提供理论依据。⑤新型FSPCM工业化前景分析新型聚合物基FSPCM基体材料绿色环保、价廉易得,制备方法及工艺可行,产品应用面广,有较好的工业化前景。但要实现新型FSPCM的工业化生产与应用,还需要解决一些关键问题。比如开发出不同相变温度、高相变潜热、冻融循环稳定性好、耐热性好的MEPCM,优化新型FSPCM的配方和制备工艺。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• Contents
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 相变材料概述
• 1.2.1 固-固相变材料
• 1.2.2 固-液相变材料
• 1.2.2.1 结晶水合盐
• 1.2.2.2 石蜡
• 1.2.2.3 脂肪酸
• 1.3 定形相变材料（FSPCM）及其研究现状
• 1.3.1 多孔材料基FSPCM
• 1.3.2 聚合物基FSPCM
• 1.3.3 相变储能建筑材料
• 1.3.4 纳米复合FSPCM
• 1.4 定形相变材料在建筑节能领域的应用
• 1.4.1 FSPCM用于墙体材料
• 1.4.2 FSPCM用于地板辐射采暖
• 1.4.3 FSPCM用作其它建筑构件
• 1.5 本课题的研究意义、主要研究内容及创新点
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 创新点
• 第二章 新型FSPCM的制备及性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 主要设备
• 2.2.3 样品制备
• 2.2.4 性能表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 微观形貌（SEM）
• 2.3.2 相变温度、相变潜热和比热（DSC）.
• 2.3.3 升降温曲线
• 2.3.4 冻融循环稳定性
• 2.3.5 热失重分析（TGA）
• 2.3.6 热导率
• 2.3.7 力学性质
• 2.4 本章小结
• 第三章 新型FSPCM应用效果模拟研究的数学模型及其验证
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.3 物理模型
• 3.4 数学模型
• 3.4.1 基本假设
• 3.4.2 边界条件
• 3.4.3 控制方程
• 3.4.4 外表面边界条件
• 3.4.5 内表面边界条件
• 3.4.6 室内空气的温度
• 3.4.7 初始条件
• 3.4.8 一些模拟参数的取值方法
• 3.5 有限差分模型
• 3.6 模拟计算流程
• 3.7 程序验证
• 3.7.1 理论验证
• 3.7.2 程序间对比验证
• 3.7.3 实验验证
• 3.8 本章小节
• 第四章 新型FSPCM用于电地暖系统的应用效果模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 模拟内容
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 加热模式的影响
• 4.3.2 蓄热层厚度的影响
• 4.3.3 经济性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 新型FSPCM用于电地暖系统时的热物性优化
• 5.1 引言
• 5.2 稳态计算法
• 5.3 动态模拟法
• 5.3.1 模拟内容
• 5.3.2 结果与讨论
• 5.3.2.1 由调温效果评价指标进行热物性优化
• 5.3.2.2 由经济性评价指标进行热物性优化
• 5.4 本章小结
• 第六章 新型FSPCM产业化前景分析
• 6.1 新型聚合物基FSPCM的原料
• 6.2 新型聚合物基FSPCM的制造
• 6.3 新型聚合物基FSPCM的潜在应用
• 6.4 广泛使用新型FSPCM产品的经济和社会效益
• 6.5 新型聚合物基FSPCM工业化生产面临的主要问题
• 6.5.1 优化MEPCM的热物性
• 6.5.2 优化配方设计和制备工艺
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录 内表面长波互辐射角系数计算程序
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果和发表的学术论文目录
• 作者和导师简介
• 北京化工大学博士研究生学位论文答辩委员会决议书