高分子型形状稳定固-固相变材料的制备及热性能分析

作     者：黄俊文 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚菊明

授予年度：2021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：固-固相变材料 静电纺丝 原位自由基聚合 纤维素纳米晶 稳定性 

摘      要：能源问题现如今已经严重影响到社会的发展,如何有效的利用和节约能源逐渐成为研究热点,世界各地的研究人员也在探讨如何应对能源危机,因此高效的能源储存技术备受关注。固-固相变材料(SSPCM)因其特有的无泄漏、形状稳定和相变循环性能好等优点也越来越受到研究人员的关注,本研究以无毒无污染的聚乙二醇(PEG)和丙烯酸十六烷基酯(HDA)作为相变原料,聚乙烯醇(PVA)和改性后的纤维素纳米晶(CNC)作为相变材料的支撑骨架材料,研究了机械物理共混和化学交联构建固-固相变材料的方法和在不同的实验条件下SSPCM的微观形貌、化学结构、相变性能以及热稳定性等性能。主要研究内容包括以下两个方面:(1)静电纺丝法制备聚乙二醇/聚乙烯醇固-固相变纳米纤维复合膜:采用静电纺丝法制备了以聚乙二醇(PEG)为相变介质,聚乙烯醇(PVA)为支撑材料的形状稳定SSPCM,由于PEG分子链与PVA分子链之间具有很强的氢键作用和物理缠结,PEG被PVA封装。通过SEM研究了制备纤维的形态结构,结果表明,静电纺丝PEG/PVA复合膜的纤维具有纳米结构,尺寸为440±40 nm。通过DSC研究了PEG/PVA复合膜的相变性能,结果表明复合膜的蓄热能力随着PEG含量的增加而增强,其中PEG/PVA=7/3的热焓高达78.81 J/g。另外,复合纤维具有良好的热稳定性,经过100个加热和冷却循环后,熔融焓和结晶焓没有明显变化。该方法制备简单,同时制备固-固相变材料的原料成本低廉且热稳定性好,因此在智能纺织和储能系统中具有很大的应用潜力。(2)原位自由基聚合法制备聚丙烯酸十六烷基酯/纤维素纳米晶固-固相变材料:采用原位自由基聚合法制备了以聚丙烯酸十六烷基酯(PHDA)为相变介质,经过硅烷改性后的纤维素纳米晶(CNC)为骨架材料的SSPCM。具体而言,首先将反应性乙烯基接枝到纤维素纳米晶上(CNC-VTMS),而后作为反应性部位与PHDA聚合,PHDA通过接枝和分子间作用力固定在CNC-VTMS上,同时CNC-VTMS可以充当成核剂促进结晶。SEM分析结果可以证实PHDA成功固定在在CNC-VTMS上。通过XRD研究了SSPCM的结晶性能,数据表明CNC-VTMS可以促进接枝PHDA的结晶性能。通过DSC研究了SSPCM的相变性能,结果表明SSPCM表现出良好的热稳定性和高的熔融焓(139.70 J/g),这远高于纯相变储能单元(85.18 J/g)。经过100个加热和冷却循环后,SSPCM的熔融焓和结晶焓没有明显改变,说明SSPCM具有优良的热可靠性和相变性能。此外,制备的SSPCM还具有出色的热稳定性(T=355℃),为固-固相变材料在热管理和储能系统中的广泛应用提供启示。