糖醇/中空木棉纤维复合相变材料的制备及性能研究

论文摘要

有机相变材料在冷热循环过程中存在导热性差以及液相易泄露的缺陷,限制了其在储能领域中的实际应用。木棉纤维（Kf）具有天然中空管状结构,这种独特形貌可实现有机相变材料的有效封装并提供较大存储空间,作为绿色、天然可降解的多孔载体制备有机复合相变材料具有潜在的应用前景。本论文制备了多孔木棉纤维生物质碳材料、引入二氧化锰纳米线的木棉纤维生物炭材料以及木棉纤维基气凝胶等为支撑载体,以具有高潜热值的D-甘露醇（Man）和赤藓糖醇（Ery）为有机相变材料,通过真空熔融浸渍法,制备了系列具有较高负载率、大的潜热值和良好稳定性的复合相变材料。本论文的主要研究内容如下:第一部分:将碳化的多孔生物质木棉纤维作为支撑材料,分别与有机相变材料D-甘露醇（Man）和赤藓糖醇（Ery）复合,制备成复合相变材料。通过SEM和TEM可以看出,经过KOH腐蚀使得中空管状的木棉纤维外壁产生了次生孔道,这种多级孔网络结构为相变材料的传输和存储提供了良好的条件;BET测试结果显示,经过KOH蚀孔后的木棉纤维KKf比表面积高达3396 m2·g-1;DSC测试结果表明,复合相变材料具有良好的储热性能,Ery/KKf和Man/KKf的潜热值分别高达322.46 J g-1和297.84 J g-1,并且Ery/KKf经过250次冷热循环后,潜热值为298.54 J g-1,此外,由于木棉纤维的引入,降低了糖醇的过冷度;经过TGA测试表明,在800℃复合相变材料没有完全分解,说明其有很好的耐热性能;复合相变材料的导热可以利用闪光导热仪测得,实验结果表明,复合相变材料的热导系数较纯相变材料的导热性能提高了131%-133%。第二部分:初步处理的木棉纤维与二氧化锰纳米线混合均匀后,在管式炉中碳化制备载体Ckf-MnO2,与D-甘露醇（Man）和赤藓糖醇（Ery）复合,得到复合相变材料。SEM和TEM测试表明,碳化后的木棉纤维和MnO2纳米线保持了管状结构,并且相互搭接呈网状,对有机相变材料具有较高的负载率。DSC分析表明,Man/Ckf-MnO2和Ery/Ckf-MnO2的潜热值分别为300.39 J g-1和312.74 J g-1,经过250次冷热循环后,Man/Ckf-MnO2复合相变材料的负载率仍高达88.96%,其潜热值为286.33 J g-1。TGA测试结果表明,作为载体的Ckf-MnO2,在800℃仅分解了4.34%且复合相变材料也未完全分解彻底,说明具有良好的稳定性。复合相变材料较纯的有机相变材料Man和Ery的导热能力分别提高了216%和209%。第三部分:在木棉纤维中加入海藻酸钠,制得含有不同比例海藻酸钠的木棉纤维基气凝胶（CNF）,分别与有机相变材料D-甘露醇（Man）和赤藓糖醇（Ery）复合,得到木棉纤维基气凝胶复合相变材料。SEM形貌观察,相变材料完全填充在木棉纤维基气凝胶的层状空间中,加入海藻酸钠比例越多的木棉纤维基气凝胶,呈现出更为紧密的层状排列。应力-应变实验表明木棉纤维基气凝胶具有良好的力学性能,随着海藻酸钠比例的增加,气凝胶显示出更好的机械性能。DSC分析表明,经过250次冷热循环之后,Man/0.5%-CNF,Man/1%-CNF,Man/1.5%-CNF的负载率分别为70.36%、73.59%和80.22%,潜热值分别高达226.46 J g-1、236.86J g-1和258.20 J g-1。经过TGA测试表明,800℃仍有37.67%的CNF未分解,说明了载体木棉纤维基气凝胶拥有良好的热稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 相变储热材料研究现状
•     1.2.1 固-液相变储热材料的储热原理
•     1.2.2 相变材料的选取原则
•     1.2.3 相变材料的分类
•   1.3 复合相变材料的制备方法
•     1.3.1 溶胶凝胶法
•     1.3.2 微胶囊法
•     1.3.3 多孔材料基吸附法
•   1.4 多孔材料的发展现状
•     1.4.1 基于碳材料的多孔材料
•     1.4.2 基于金属基的多孔材料
•     1.4.3 基于多孔氧化物的多孔材料
•   1.5 相变材料的应用
•     1.5.1 相变材料在建筑材料方面的应用
•     1.5.2 相变材料在衣物方面的应用
•     1.5.3 相变材料在太阳能方面的应用
•     1.5.4 相变材料在电力方面的应用
•     1.5.5 相变材料在其他方面的应用
•   1.6 本课题的研究目的和意义及主要内容
•     1.6.1 研究目的和意义
•     1.6.2 研究内容
•     1.6.3 主要创新性
• 第二章 糖醇/碳化木棉纤维复合相变材料制备及其性能研究
•   2.1 引言
•   2.2 实验材料
•     2.2.1 主要实验药品
•     2.2.2 主要测试仪器
•   2.3 实验步骤
•     2.3.1 木棉纤维的碳化
•     2.3.2 PCMs/KKf复合相变材料的制备
•     2.3.3 PCMs/KKf复合相变材料冷热循环实验
•   2.4 PCMs/KKf复合相变材料的表征
•     2.4.1 形貌分析
•     2.4.2 能谱分析（mapping）
•     2.4.3 比表面积及孔性质分析
•     2.4.4 X射线衍射分析
•     2.4.5 傅里叶红外光谱
•     2.4.6 储热性能分析
•     2.4.7 热导率分析
•   2.5 结果与讨论
•     2.5.1 PCMs/KKf复合相变材料的合成工艺
•     2.5.2 木棉纤维处理前后化学结构分析
•     2.5.3 Kf、KKf及 PCMs/KKf复合相变材料形貌特点
•     2.5.4 KKf的比表面积及孔性质
•     2.5.5 CKf和 KKf的结构特点
•     2.5.6 KKf及 PCMs/KKf复合相变材料的结构特点
•     2.5.7 PCMs/KKf能量色散X射线面扫分析
•     2.5.8 PCMs/KKf复合相变材料的热性能
•     2.5.9 KKf及 PCMs/KKf复合相变材料的热稳定性
•     2.5.10 PCMs/KKf复合相变材料的导热性能
•   2.6 小结
• 2纳米线复合相变材料的制备及性能研究'>第三章 糖醇/木棉纤维掺杂MnO₂纳米线复合相变材料的制备及性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 实验材料
•     3.2.1 主要实验药品
•     3.2.2 主要测试仪器
•   3.3 实验步骤
•     3.3.1 二氧化锰纳米线的制备
•     3.3.2 木棉纤维的预处理
• 2的制备'>    3.3.3 载体Ckf-MnO₂的制备
• 2复合相变材料的制备'>    3.3.4 PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的制备
• 2复合相变材料的冷热循环实验'>    3.3.5 PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的冷热循环实验
• 2复合相变材料的表征'>  3.4 PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的表征
•     3.4.1 形貌分析
•     3.4.2 能谱分析（mapping）
•     3.4.3 X射线衍射分析
•     3.4.4 傅里叶红外光谱
•     3.4.5 储热性能分析
•     3.4.6 热导率分析
•   3.5 结果与讨论
• 2及PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料形貌特点'>    3.5.1 Ckf-MnO₂及PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料形貌特点
• 2的结构特点'>    3.5.2 载体Ckf-MnO₂的结构特点
• 2复合相变材料的X射线光电子能谱（XPS）分析'>    3.5.3 PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的X射线光电子能谱（XPS）分析
• 2复合相变材料能量色散X射线面扫分析'>    3.5.4 PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料能量色散X射线面扫分析
• 2及PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的结构特点'>    3.5.5 Ckf-MnO₂及PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的结构特点
• 2复合相变材料的热性能'>    3.5.6 PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的热性能
• 2及PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的热稳定性'>    3.5.7 Ckf-MnO₂及PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的热稳定性
• 2复合相变材料的导热性能'>    3.5.8 PCMs/Ckf-MnO₂复合相变材料的导热性能
•   3.6 小结
• 第四章 糖醇/木棉纤维基气凝胶复合相变材料的制备及性能研究
•   4.1 引言
•   4.2 实验材料
•     4.2.1 主要实验药品
•     4.2.2 主要测试仪器
•   4.3 实验步骤
•     4.3.1 木棉纤维的氧化（纯化）
•     4.3.2 木棉纤维基气凝胶的制备
•     4.3.3 PCMs/CNF复合相变材料的制备
•     4.3.4 PCMs/CNF复合相变材料的冷热循环实验
•   4.4 PCMs/CNF复合相变材料的表征
•     4.4.1 形貌分析
•     4.4.2 能谱分析（mapping）
•     4.4.3 X射线衍射分析
•     4.4.4 傅里叶红外光谱
•     4.4.5 力学性能分析
•     4.4.6 储热性能分析
•   4.5 结果与讨论
•     4.5.1 含有不同比例海藻酸钠的木棉纤维基气凝胶及糖醇/木棉纤维基气凝胶复合相变材料形貌特点
•     4.5.2 PCMs/CNF复合相变材料能量色散X射线面扫分析
•     4.5.3 0.5%-CNF、1%-CNF及1.5%-CNF木棉纤维基气凝胶应力应变实验
•     4.5.4 CNF及 PCMs/CNF复合相变材料的化学结构分析
•     4.5.5 CNF及 PCMs/CNF复合相变材料的结构特点
•     4.5.6 PCMs/CNF复合相变材料的热性能
•     4.5.7 CNF及 PCMs/CNF复合相变材料的热稳定性
•   4.6 小结
• 结论与展望
•   结论
•   问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 安钧洳

导师: 梁卫东,李安

关键词: 糖醇,中空多孔材料,木棉纤维,复合相变材料,相变储热

来源: 兰州理工大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 材料科学

单位: 兰州理工大学

分类号: TB34

总页数: 80

文件大小: 2806K

下载量: 127