凹凸棒土基复合相变储能材料的合成与表征及其储热性能的研究

作     者：胡维君 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘勤敏

授予年度：2022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：凹凸棒土 相变材料 热能存储 形状-稳定技术 疏水亲油性 溶胶-凝胶法 

摘      要：相变材料(PCMs)由于具有较高的热能存储密度及近乎恒温储能的特点而成为储能材料领域研究的热点内容之一。然而,在相变过程中存在的液体泄露和形状不稳定问题成为制约其广泛应用的主要缺陷。形状-稳定技术(相变定型技术)是将相变材料与支撑材料相结合以制成形状-稳定相变材料(form-stable PCMs,FSPCMs)的一种方法,以此解决相变材料在相变过程中存在的液体泄露和形状不稳定缺陷,常用技术包括微胶囊化法、聚合物塑封定型、多孔材料稳定定型等。相比微胶囊化法和聚合物塑封定型的制备工艺复杂、成本高、机械稳定性和热稳定性难于控制等缺点,天然多孔材料具备的来源广泛,价格低廉,机械稳定性和热稳定性较好,种类繁多等特点,在相变定型技术中显示出一定的优势。凹凸棒土(attapulgite,本论文中简写为ATP)是一种具有水合链层状的富含镁铝硅酸盐无机黏土矿物材料,因具有较大的比表面积和多孔结构,较好的机械稳定性和热稳定性,一定的吸附性和催化载体等性质,而在材料、环保、石油化工、食品、农业等领域获得了广泛的应用,拥有“千种用土,万土之王的美誉。ATP由于自身所具有的多孔结构及较大比表面积,可通过一定的毛细作用力和吸附性来实现对PCMs的塑封和形状稳定化。然而,在ATP对PCMs形状稳定化的制备过程中,还存在许多问题没有得到较好的解决,例如,因ATP和PCMs之间相容性差而导致的热能存储密度较低,ATP基FSPCMs的制备方法较为单一等。本论文研究旨在解决ATP用于相变定型技术时所存在的现有缺陷,研究一些新型ATP基FSPCMs的制备,主要研究工作和结果如下:(1)对ATP进行表面有机改性以改善其对有机PCMs相容性较差的问题,开发了一种具有经济高效、绿色环保特性的“一步法氯硅烷改性凹凸棒土(Si-ATP),以此增强ATP对有机PCMs的形状稳定性能。以三种具有不同孔体积和相容性的ATP作为支撑材料,石蜡作为热能存储单元,制备了一系列FSPCMs。研究结果表明,Si-ATP呈现一种蓬松状蜂窝多孔结构,其孔体积有所提高,并具有优异的疏水亲油性。与ATP相比,Si-ATP对石蜡的形状稳定性能得到了极大的增强,其对石蜡的最大塑封质量可达到41.3 wt%,由此产生的热能存储密度达到83.7J/g,相比ATP基FSPCM的热能存储密度提高了 64.4%。同时,研究也表明,多孔材料的孔体积及相容性对相变定型技术具有重要影响。在一定条件下,提高多孔材料的孔体积将有利于增强所制备FSPCMs的热能存储密度,而多孔材料与PCMs之间良好的相容性将会使得FSPCMs的形状稳定性得以增强,这些结果为制备多孔材料以实现PCMs的形状稳定化提供了一种策略。(2)ATP基FSPCMs的制备方法大多为真空浸渍法,因而结合一些常用相变定型技术,拓展ATP基FSPCMs的制备方法显得很有必要。本工作中以正硅酸乙酯(TEOS)作为SiO2合成的前驱体并添加适量的ATP和石蜡储热单元,通过溶胶-凝胶法制备了一种新型FSPCM(SiO2-ATP/paraffin)。研究表明,在最佳质量比的实验条件下,ATP的加入可降低TEOS的使用量并显著提高所制备复合材料的储热性能,表现为SiO2/paraffin的热能存储密度为39.78J/g,而SiO2-ATP/paraffin的热能存储密度提高至66.20J/g。实验显示,水的侵入不会对所制备复合材料的储热性能产生影响,表明SiO2-ATP/paraffin既可以在干燥环境下做储热应用,也可以在水溶液中做储热物质应用。由于SiO2-ATP/paraffin储热效应的存在,含有SiO2-ATP/paraffin热水溶液的降温速率明显变缓,显示出较好的实际应用前景。本论文成功解决了凹凸棒土用于相变定型技术时存在的相容性较差及制备方法单一的问题,并取得了一定的实验室规模成果。本研究不仅在凹凸棒土矿物资源的价值利用方面,还在相变定型技术的降低成本和理论指导方面,均具有一定的参考价值。