聚（聚乙二醇单甲醚）磷腈材料的合成及多功能化应用

作     者：黄梅洁 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴战鹏

授予年度：2024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：热能储存 相变材料 自修复材料 光热转换 聚磷腈 

摘      要：在当今人口急增、工业迅速发展、环境污染问题日益突显、能源结构急需调整的背景下,相变材料由于具有高能量密度以及温度可控的优点,在太阳能以及电子器件、建筑行业有广泛的应用。然而,现阶段常用的物理形式封装的固-液相变材料通常存在着严重的泄露问题,同时智能自修复受限,一定程度上会限制其应用。相比之下,通过化学键封装的相变材料更能达到定型无泄漏且可回收的目的。基于此,本课题选用聚乙二醇单甲醚作为相变芯材,选用线性聚磷腈作为定型骨架,有效改善相变材料的泄露问题,并通过动态化学键交联法和材料复合工艺得到可回收采用的定型智能修复相变材料。本课题主要研究结果如下: 将不同分子量（M_n=350,550,750,1000,2000）的聚乙二醇单甲醚（m PEG）与聚二氯磷腈磷位上的氯进行亲核取代反应,形成了侧链含有不同分子量m PEG的新型聚合物基相变材料。通过核磁、傅里叶变换红外光谱以及X射线衍射仪对其结构进行表征,证明了新物质的合成,并通过差示扫描量热仪和热失重对它们的热性能进行分析,最后对它们进行定型测试,结果表明,聚磷腈上引入分子量为1000的聚乙二醇单甲醚具有最好的综合性能,其不仅拥有较高的相变焓（147.6 J/g）和良好的热稳定性（353.5°C）,还能够实现在高低温（室温至80°C）下的定型,解决了相变材料的泄露问题。100次循环测试结果进一步证明了该相变材料具有良好的热稳定性和相变储能性能。 上述合成的聚（聚乙二醇单甲醚）磷腈侧链中引入部分羧基基团,作为金属离子配体,通过配位反应与Zn2+形成配位键,制备出了形态稳定、可逆交联的聚磷腈相变复合材料(PEEPP-Zn2+),最后与光热性能更优的MXene复合得到相变复合材料PEEPP-Zn2+/MXene。光学显微镜和力学性能测试表明,相变复合材料PEEPP-Zn2+在机械破坏后,通过较低的温度保温（60～80°C/5 min）即可达到92.9%的自修复效率,从而实现了优异的材料可回收性。并能够通过光与热的刺激实现快速自修复。而相变复合材料PEEPP-Zn2+/MXene在一个太阳光照强度下其光热温度最高可以在14 min内到达80°C(PEEPP-Zn2+在照射30 min后,温度达到56°C),且MXene的引入使得相转变时间缩短为PEEPP-Zn2+的1/5,提高了PEEPP-Zn2+的光热转换性能,而且还加快了传热速率。这一优势也能大大缩短光诱导下的自修复时间。另外,其热分析结果表明,PEEPP-Zn2+仍然具有高的相变焓（95.4 J/g）以及优异的热稳定性（360.6°C）,同时在室温至80°C的温度范围内具有良好的定型效果。这些研究结果表明,这种新型磷腈类相变材料在不易泄露、光热修复且可反复回收采用方面具有显著的优势和应用潜力。