聚氨酯固—固相变储能材料的研究

作     者：粟劲苍 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘朋生

授予年度：2006年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：聚氨酯 相变材料 聚乙二醇 结晶 储热性能 相分离促进剂 十八醇 

摘      要：本论文以不同分子量聚乙二醇(PEG)为软段,MDI-BDO为硬段通过两步溶液聚合法合成一系列不同软段分子量及软段含量的聚氨酯相变储能材料(PUPCM),利用红外光谱法(FT-IR),差示扫描量热法(DSC),宽角X-射线衍射(WAXD),热失重(TG),偏光显微镜(POM),扫描电镜(SEM)等现代化分析技术分析研究了PUPCM的结构特征,相变行为,储热性能,聚集态结构及热性能的影响因素,提出了此类聚氨酯固态相变材料的能量贮存和相变机理。 结果表明,以聚乙二醇为软段,MDI-BDO为硬段合成的聚氨酯相变储热材料性能优异:相变焓较大;相变温度适中;热性能稳定;相变过程中不出现液体;相变过程完全可逆,正过程和逆过程相变焓相差较小,方向仅由温度决定;且此材料经历多次储热-放热循环后,热性能几乎恒定,因此该材料是一种具有较大使用价值和发展前途的高分子固-固相变储能材料。 POM及变温WAXD测试发现,PUPCM软段在室温下以结晶态存在,结晶形态为球晶,由于受到硬段限制,结晶颗粒较纯PEG变小。PUPCM的相变过程实质是PUPCM中软段PEG由结晶固态转变为无定型固态的过程,材料相变过程中的能量变化主要来自软段PEG的相变潜热,即PEG由结晶固态转变为无定型固态过程中内能的变化。硬段对材料的相变潜热没有贡献,但它在材料中起着物理交联点的作用,当软段熔融呈现无定型态时束缚PEG的自由运动,使整个材料不发生宏观流动而呈现出固相状态。 聚氨酯具备固-固相变储热性能有两个必备条件,其一为软段结晶;其二为硬段聚集成微区,形成“物理交联点。研究表明,只有当软段分子量超过临界值2000时,软段在常温下才能很好的结晶且在相变点具有较大的相变潜热。而硬段含量的临界值为11wt%,在它之上,PUPCM可以聚集成微区形成物理交联网络,保证材料在软段熔融温度以上保持固体状态。 由于软段PEG结晶受到硬段的限制,在软段结晶临界值以上的不同分子量PEG为软段的PUPCM样品的相变焓和相变温度均随着软段含量的减少而急剧下降;同一软段含量不同分子量的PUPCM的相变焓随分子量增大而大幅增加,当分子量大到一定值时,相变焓略微下降,相变温度也是随软段分子量的增加而大幅升高,达到一分子量,上升呈平缓趋势。 PUPCM改性研究结果表明在聚氨酯相变储能材料中引入十八醇,当含量适中时能有效促进软硬段间的两相分离,使硬段能更好的聚集,提高软段结晶度从而