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    复合相变储热材料可以实现高效热利用和存储
    日期:2019-07-31   [复制链接]
    责任编辑:sy_zhangxiaoxiao 打印收藏评论(0)[订阅到邮箱]
    编者按:为应对全球的能源挑战,各国积极的研发可再生能源,太阳能、风能等等,其中储能技术作为研发的关键技术之一,将热能收集、转移和储存来让能源多用途、高效和环境友好使用。

    导读:使用混酸氧化和球磨处理制备改性碳纳米管,并与硬脂酸复合制备相变储热材料。X射线衍射结果显示,球磨处理对碳纳米管的结构有一定影响,混酸氧化后的碳纳米管物相没有发生改变。红外光谱分析表明,球磨处理和混酸氧化对碳纳米管有纯化作用,酸化碳纳米管出现羟基、羰基等官能团,有助于碳纳米管的分散。扫描电镜照片显示,改性碳纳米管在硬脂酸中的分散性为酸化碳纳米管>球磨碳纳米管>碳纳米管,热导率测试结果也与此符合,说明碳纳米管分散性增加,对硬脂酸热导率有较大的提高。
     
    研究内容
     
    储能技术是应对全球能源挑战的关键技术之一,通过调节能源供需的差异提高能源利用效率。热能储存技术可以将能量短期或者长期存储,利用人为技术将热能收集、转移和储存来让能源多用途、高效和环境友好使用。潜热存储由于储能密度高、输出温度稳定、节能效果显著的优点,已成为能源科学和材料科学方面的热点研究领域并广泛应用于工业余热利用、建筑节能、电子散热、航天等。
     
    以潜热形式存储能源的相变储热材料按材料形态转变方式可分为3类。其中固-液相变储热材料是最为常用的潜热储热材料。固-液相变储热材料在熔化和凝固的相变过程中能释放出大量的热量,并有较小的温度、压力及体积变化。而在低温相变储能材料中有机脂肪酸因为其可调节的相变温度、低成本、无过冷现象及化学和热稳定性等优点吸引了研究者的广泛关注。硬脂酸有着较合适的相变温度和较大的潜热。但是硬脂酸同样有着有机相变储热材料低热导率和易泄漏的缺点,作为评价相变储热材料的两个重要因素,这两个缺点促进了大量关于提高热导率和防止熔融态相变储热材料泄漏的研究,例如添加高热导材料金属颗粒、泡沫金属等和SiO2包覆相变储热材料、PMMA形成核壳结构。然而,这些导热增强相和包覆材料不是增加复合相变储热材料的成本就是减少了潜热。
     
    碳纳米管(CNTs)因其特殊的结构、优异的电学和光学性质及高热导率被用来合成复合相变储热材料以提高热导率。但是,纳米尺度效应导致的分布不均和严重聚集使碳纳米管不能充分发挥其高热导的特点,导致复合相变储热材料的热导率提高少。如何提高碳纳米管的分散性让其充分发挥高热导特性是需解决的问题。王等发现球磨和碱处理后的纳米碳纤维能增加棕榈酸的潜热,因为改性纳米碳纤维的氢键相互作用能够加强纳米碳纤维与基质的黏附。同样,使用浓酸混合物的化学氧化法、球磨和碱化处理可将羟基和羧基等官能团引入碳纳米管的表面,这有助于碳纳米管和相变储热材料的强界面结合却减少本身之间的结合。
     
    因此,对CNTs进行适当的表面改性,不仅促进了碳纳米管与基体之间的黏附,还增强了碳纳米管的分散性,进而提高相变储热材料的热导率。碳纳米管改性的主要方法是物理机械法、强酸处理、碱处理和化学接枝等。在本研究中,将碳纳米管用混酸氧化和球磨方法改性,比较其分散性并与硬脂酸复合制备新型复合相变储热材料。测试表征复合相变储热材料的热物理性能,研究复合相变储热材料的非等温相变动力学过程,来揭示酸化碳纳米管对硬脂酸热物理性能影响的微观动力学机理。硬脂酸/碳纳米管复合相变储热材料可以实现高效热利用和存储,对太阳能利用有着重要的潜在利用性。
     
    研究结论
     
    (1)混酸氧化相对球磨处理对碳纳米管本身结构损伤较小,酸化后的碳纳米管表面和端口产生了羟基、羧基等活性基团,增加了碳管之间的排斥力,减少了范德华力,使管壁之间的距离增大,并增加了碳纳米管和溶质间的亲和力,所以酸化碳纳米管之间缠绕团聚现象减少,在硬脂酸中的分散较均匀,有利于热量的传递。单纯的机械处理对碳纳米管的分散效果不如化学改性显著。
     
    (2)复合相变储热材料的表观活化能比纯硬脂酸高,表明了酸化碳纳米管对硬脂酸分子链段热扩散有阻碍作用,增大了相变过程发生的难度,影响了硬脂酸热导率的增加,使添加质量分数1%的碳纳米管后热导比纯硬脂酸只增加了1.3倍。
     
    原标题:硬脂酸/改性碳纳米管复合相变储热材料性能
     
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    来源:储能科学与技术
     
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