新型相变微胶囊纳米流体的制备及性能测试研究

作     者：龚雨桐 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈红兵;郝斌

授予年度：2020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：相变微胶囊 相变流体 稳定性 热物性 

摘      要：微胶囊技术是指以成膜材料吸附在固体或液体表面将其包裹的技术,使其形成具备核壳结构的微型颗粒。这些颗粒具有聚合物壁壳,外形大多呈球型,粒径在一微米到一毫米之间。微胶囊技术目前已得到了大量研究,大多学者将其与相变材料相结合,制备出了微胶囊相变材料。微胶囊相变材料的特殊核壳结构,有助于减少液态相变材料的泄露以及外界对芯材的影响,并且微米甚至纳米级的颗粒大大增加了传热面积,使拥有普遍导热率较低的相变材料反而具有较高的导热性能。而将相变微胶囊制备成流体后,可有效解决相变流体存在的导热系数低,易发生相分层、过冷、挥发等现象。本课题组在前期研究过程中针对相变流体流经联箱时未能充分吸收热能从而达到相变温度这一问题,提出将相变材料与纳米材料相结合,从而提高相变流体的各项性能。然而研究过程中发现,添加纳米颗粒的相变流体具有不稳定、易挥发等缺点。针对这一问题,本课题组又提出将相变材料进行封装,通过将相变材料制备成相变微胶囊形态从而解决其易挥发等问题。微胶囊相变材料具备明确的核壳结构,其内部由潜热值较高的相变材料作为芯材,而外部为可防止芯材泄露并维持球状结构的壁材,将壁材包覆在内部芯材的表面从而得到相变微胶囊。微胶囊化可以将相变材料转化为粉末状固体,在增加了相变材料比表面积的同时,也提高了传热效率,使其在传热、储能和控温方面具有广泛的应用价值。本课题基于大量的文献调研,选择出合适的相变材料和壁材,制备出以二十二烷为核心,二氧化钛为壁材的多组相变微胶囊,根据改变实验单一变量条件确定微胶囊的最佳制备配比。在此基础上,对相变微胶囊的微观形态进行筛选,并对其热物性进行测试。随后,将性能最优的相变微胶囊制备成相变流体,对添加相变微胶囊的相变流体进行稳定性及热物性的测试,并确定性能最佳的微胶囊纳米相变流体,为后续的PV/T太阳能集热系统载热流体的实际应用奠定基础。论文主要结论包括:(1)利用扫描电子显微镜对其微观形态观测,本文所制备的相变微胶囊呈圆球状,结构完整,球形表面均匀光滑,未见破损或较大团聚颗粒存在,且颗粒见分散性较好,微胶囊的粒径在2μm之间。(2)根据热物性测试,通过改变单一实验变量,对不同实验条件下所制备的相变微胶囊进行对比实验分析,最终得出当乳化剂选用SDS(十二烷基硫酸钠),超声时间为10min,pH值选用3.5,乳化剂质量分数为0.45g,以及核壳比为1:1时所制备的相变微胶囊的性能为最佳。(3)通过热物性及稳定性测试,五种不同分散剂中,以CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)作为分散剂所制备的相变微胶囊流体性能最佳,各项指标基本符合PV/T太阳能集热系统所需载热流体特性。本课题的研究成果为今后相变微胶囊纳米相变流体在太阳能集热系统的实际应用提供了有利的理论基础及数据支持。