烷基化碳纳米管改性二元芯材相变微胶囊的制备及其性能研究

随着能源危机和环境污染的日趋严重,寻找一种清洁且有效的热能存储技术变得至关重要。在众多的热能存储技术中,基于相变材料(Phase change materials,PCMs)的热能存储是一类非常有前途的储热技术,PCMs可以通过自身相态的转变来吸收或释放大量潜热而备受欢迎,该材料在过去十年中一直是国内外研究的热点。相变材料的微胶囊化,解决了相变材料在使用过程中易泄露的问题,扩宽了相变材料的应用领域。但是相变微胶囊仍存在诸如热传导性差、机械强度差和热稳定性差等问题。碳纳米管(CNTs)是一种密度低的优异纳米增强材料,具有高的横纵比,非凡的机械性能和优异的热导性,在增强微胶囊热导率方面具有一定的应用价值,但是CNTs在相变材料中分散性稳定性较差,因此需考虑对其进行改性。一元芯材相变微胶囊在使用过程中有一定的局限性,比如显变调温范围比较窄,往往不能满足某些热管理的需求。而二元芯材相变微胶囊可通过改变二元相变材料的不同配比来灵活的调节相变温度,很好地满足了热管理中对不同温度调节的要求,因此二元芯材相变微胶囊的研究具有非常重要的意义。本课题考虑对二元芯材相变微胶囊进行掺杂改性来改善其导热性差的问题,研究二元芯材相变微胶囊的改性与应用,具体研究内容如下:(1)通过控制变量(反应温度、反应时间、试剂配比)的方法,得到羧基化碳纳米管(C-CNTs)最佳的改性条件,并通过接枝反应得到预期的烷基化碳纳米管(OICNTs)。用场发射扫描电子显微镜(SEM),电子能谱分析(EDS)、红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)分析表明C-CNTs成功被改性得到OICNTs,同时亲油性测试说明了OICNTs在油性介质中具有优异的分散性稳定性。(2)通过改变C18与C28的配比研究混合物的储热性能,最后确定C18与C28的配比为1:1时能获得理想的热焓值。并改变OICNTs在相变材料中的比例,制备芯材掺杂碳纳米管的密胺树脂包覆二元核相变微胶囊。采用SEM、X射线电子衍射(XRD)、FTIR、Raman光谱进行形貌和化学结构分析并表明OICNTs掺杂成功。用差式扫描量热仪(DSC)和热重分析(TGA)对微胶囊的相变热物性、热稳定性和循环稳定性表征说明了微胶囊具有较大的储热容量、较高的热稳定性和循环稳定性能。当OICNTs掺杂量为3%时,微胶囊导热性能提高了71.4%,且焓值高达187.9 J g-1。红外热成像分析表明该微胶囊温度调控性能较好。(3)最后研究了OICNTs的不同掺杂含量对SiO2壁材包覆二元芯材相变微胶囊的相变特性、热循环稳定性、温度调控能力等性能的影响。该相变微胶囊具有以SiO2为无机外壳和以C18/C28为芯材的完美核壳结构,其中SiO2壁材为无定形状态。综合分析表明当OICNTs掺杂量为1%时,SiO2壁材包覆二元芯材相变微胶囊热焓值仍高达163.3 J g-1,循环稳定性能和温度调控能力均较好。