聚合物相变材料的制备及其应用研究

针对聚合物介质复合相变材料存在导热系数较低、添加量较高,导致焓值降低太大的缺点和不足,本论文采用强吸附能力的多孔碳材料与具有良好相容性的聚合物共混的方式,降低聚合物添加比例,获得高导热、强机械性能、高焓值的复合相变材料。具体工作如下:1.为提升A-CMK-3基复合相变材料的机械性能,使用与石蜡具有较好相容性的聚乙烯(PE)与之复合。制备的PE-A-CMK-3基复合相变材料比RT44HC/A-CMK-3复合相变材料的拉伸强度高了7.6倍,比RT44HC/A-CMK-3复合相变材料的冲击强度高了2倍,但相变焓值、导热系数和光热转换性能均有一定程度下降。2.基于工作1,制备OP44/EG/PE-EPDM复合相变材料,并用于建筑屋顶隔热采暖中。该复合相变材料的相变熔化温度是41.5°C,相变熔化焓值是143.8 J·g~(-1);导热系数是2.2 W·m~(-1)·K~(-1),比纯石蜡(OP44)的导热系数高出4倍;拉伸强度和冲击强度分别比OP44/EG复合相变材料高7倍和3倍。结合实验结果建立了复合相变材料用于建筑屋顶采暖隔热的数值计算模型。当导热系数低于0.1W·m~(-1)·K~(-1),可以保持较好的热阻隔性能;增加复合相变材料的厚度可以轻微地增加热阻;相变温度在40°C对屋顶隔热是最为合适的。3.基于工作2,探究/聚合物相变材料体系中各组分的相互结合方式与相容性规律。探究并优化了聚合物相变材料各组分(聚合物+多孔碳材料+石蜡+功能性填料)的材料选择和比例,获得具有良好相容性的聚合物相变材料体系,为聚合物相变材料的制备提供理论指导。(i)当PE和EPDM质量比为25%:5%时,制备得到的PE-EPDM/EG基复合相变材料具有优异的机械性能,其中拉伸强度为8.1MPa、弯曲强度为14.7MPa;导热系数为2.08 W·m~(-1)·K~(-1),相变焓值为139 J·g~(-1)。适量的三元乙丙橡胶可以提升聚乙烯、石蜡和膨化石墨的相容性,综合性能获得提升。(ii)在PE-EPDM/EG复合相变材料体系中添加碳纳米管,在CNT添加量为质量分数5.4%时,导热系数达到了3.112 W·m~(-1)·K~(-1);拉伸强度为10.19MPa,弯曲强度为21.48MPa;熔化凝固温度分别为64.5和64.2℃,熔化凝固焓分别为130.3和130.5J·g~(-1)。(iii)制备阻燃型PE-EPDM/EG基复合相变材料,并用于锂离子电池模组的热管理系统中。制备出的聚合物相变材料,在阻燃剂添加量达到30%质量分数时,达到了V-0的阻燃等级;相变熔化温度和熔化焓分别是41.5°C和112.2J·cm~(-3),导热系数为1.0W·m~(-1)·K~(-1);冲击强度是1.92 kJ·m~(-2)。4.进一步地,为满足高拉伸、高弯曲、高冲击性能地应用场景,制备了一种柔性嵌段烯烃共聚物(OBC)聚合物基复合相变材料。相变熔化温度和熔化焓分别是65.04℃和144.1J·g~(-1),导热系数为1.905 W·m~(-1)·K~(-1),拉伸强度是3.7MPa。具有优异的导热性能,获得较快的光热响应时间、光热效率和光接收效率,在太阳能光热利用中具有很大的应用潜力。