己二酸-癸二酸/石墨纳米板相变材料制备及性能研究外文翻译资料

 2022-01-17 09:01

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己二酸-癸二酸/石墨纳米板相变材料制备及性能研究

Yoldas Seki ,Şeyma İnce,Mehmet Akif Ezan,Alpaslan Turgut,Aytunc Erek

关键词：相变材料，共晶混合物，高温

摘要：在该研究中，制备了一系列不同质量分数的己二酸（AA）和癸二酸（SA）的二元混合物。AA和SA的二元混合物的比例为48.0：52.0wt%，表现为一种共熔混合物，熔点116℃，熔化潜热206.0J·g-1。为了 改善AA-SA共晶混合物的热性能，将不同质量分数（0.1,0.3和0.5wt％）的多层石墨纳米板（GNP）掺到AA-SA混合物中。加入0.5wt％GNP 将过冷度从17.7℃降低到3.6℃。GNP的掺入没有改变AA-SA共晶混合物的热性能，官能团和晶体学性质。GNP掺入提高了AA-SA的导热性。此外，通过扫描电子显微镜观察检查掺入GNP的AA-SA的形态学特性。在不同的热循环下研究了AA-SA低共熔混合物的热稳定性。含有0.1和0.5wt％GNP的AA-SA的低共熔混合物的熔化温度和冷冻温度表现出相对较小的变化。

  1. 简介

热能可以作为材料内部能量的变化存储为潜热，显热和热化学或这些热的组合。潜热储存（LHS）基于储存材料经历相变时的吸热或释放。利用相变材料（PCM）的潜热储存系统具有在几乎恒定的温度下具有高储存密度的优点。最近报道了不同物质，如无机化合物，有机化合物以及无机和有机化合物的共晶体作为潜热储存材料的潜在用途。

LHS的概念已经被广泛研究用于低温应用，最高100℃。相对较少研究的是120℃以上的温度范围，特别是对于过程热能和太阳能发电。众所周知的是，热量、能量储存在100-180℃的温度范围内具有很高的经济潜力，特别是对于太阳能，工业过程和废热的利用。此外，直接太阳辐射被认为是世界上最有潜力的能源之一。在明亮的阳光照射期间，可以收集，储存，保存并随后释放过量的热量，以便在夜间或其他时段使用。然而，只有能够以可接受的资本和运行成本开发有效的储存技术，才能大规模地利用这种形式的能源。存储太阳能的一种前瞻性技术是使用PCM。此外，由于高熔点PCM具有较大的能量密度，因此通过减小存储单元的尺寸，可以减少能量存储设备和容纳成本。对于潜热式热能储存系统的开发，除了PCM中的传热机制之外，相变材料（PCM）的选择起着重要作用。在文献中已经研究了大量无机和有机材料的共晶体。经历相变的材料应当能够在他们进行固液变换时存储和释放大量的热能。除此之外，PCM应该是无毒，不易燃和不易爆的，以确保安全，低成本和大规模可用性。过冷却一直是PCM发展的一个棘手问题。

PCM通常具有低导热性，因此，热存储应用需要传热增强技术。金属添加剂用于提高总体电导率和效率。例如，通常使用各种形式的铜，铝，镍，不锈钢和碳纤维作为增加导热性的材料。

在这项研究中，己二酸和癸二酸的低共熔混合物，是天然存在的二羧酸，成本低，具有相对大规模的可用性，水污染小且不易爆。研究了其作为高温PCM的低共熔混合物的可用性。除了为了提高己二酸和癸二酸的低共熔混合物的导热性，通过将石墨纳米板（GNP）加载到低共熔混合物中来制备复合PCM外，还进行了复合PCM的形态学，结晶学和热学表征。

2．实验方法

2.1.材料

从Alfa Aesar GmbH＆Co.KG处购买的纯度为99％的己二酸（AA）和纯度为98％的癸二酸（SA）。为了提高AA-SA低共熔混合物的导热率，使用由土耳其石墨烯化学工业公司提供的多层石墨纳米板（GNP）。GNP的性质如下：粒径：5mm，厚度：5-8nm，表面积：120-150m2·g-1。

2.2. AA/SA低共熔混合物和AA-SA/GNP组分PCM的制备

称量各种质量分数的AA和SA的一系列二元混合物并加热直至获得液体混合物。搅拌后，缓慢冷却至室温。通过差示扫描量热法（DSC）分析测量熔融-冷冻温度和熔化-冷冻潜热。从AA和SA的温度曲线的交点，得到共晶混合比和熔融温度。将不同的质量百分比（0.1％，0.3％和 0.5wt％）的GNP浸入熔融的AA/SA的低共熔混合物中。浸泡后，将混合物暴露于超声波发生器5分钟。然后将混合物冷却至室温。

2.3.FT-IR光谱

通过使用具有KBr粒料的Perkin-Elmer Spectrum BX-II FTIR光谱仪进行AA，SA，AA-SA和加入GNP的AA-SA样品的FTIR分析。干燥过程后，红外光谱记录在4000-400cm-1范围内，分辨率为2cm。

2.4.TGA分析

在氮气氛下使用Perkin-Elmer Diamond TG/DTA分析仪进行AA，SA，AA-SA和加入GNP的AA-SA样品的TGA分析。加热速率为10℃/min，加热范围在30-600℃。

2.5.XRD分析

使用Philips PW3050/60 X-Pert Pro衍射仪，在5°至80°的2theta;范围内对AA，SA，AA-SA和加入GNP的AA-SA样品进行X射线衍射（XRD）分析。用薄Ni滤光片过滤的CuKalpha;辐射源（lambda;1.54Aring;）。

2.6.SEM分析

通过FEI Quanta FEG 250扫描电子显微镜（SEM）在二次电子模式中以3-4kV的加速电压进行SEM观察。

2.7.导热系数

基于具有交流激励和3omega;锁定检测的热线热探针，通过调制的热线传感器测量样品的导热率。由直径40mu;m和长度为19.0mm的Ni线制成的热探针浸入样品中，充当加热器和温度计。测量方案和实验装置在别处进一步详细解释。该方法用纯流体（如水，甲醇，乙醇和乙二醇）验证，产生的准确导热率在72％以内。

2.8.加速热循环测试

为了在相变温度和潜热的基础上给出AA-SA低共熔混合物和AA-SA/GNP复合PCM的热稳定性，使用差示扫描量热计进行热循环试验。

3.结果分析

3.1.共晶混合物的性质

通过使用DSC分析获得AA-SA混合物在各种组合下的热性质，结果在表1中给出。使用PCM的熔融曲线测定熔融温度和熔化潜热。从AA-SA低共熔混合物的DSC曲线获得的熔融和冷冻曲线在80-170℃范围内，如图1所示。用于熔化的AA-SA低共熔混合物的外推起始温度（To），峰值温度（Tp）和外推终点温度（Te）值分别为116,119和120℃。对于冷冻，这些值分别为98,97和95℃。AA-SA低共熔混合物的熔化和冷冻潜热分别为206.0和179.7 J·g-1

AA-SA(wt%)

熔点(℃)

熔化潜热(J·g-1)

凝固点(℃)

冻结潜热(J·g-1)

0.0:100.0

132.1

217.9

126.7

204.0

10.0:90.0

129.6

207.7

124.1

178.0

20.0:80.0

127.2

220.8

121.2

204.9

30.0:70.0

120.8

220.3

118.7

207.7

40.0:60.0

119.7

212.4

117.8

99.7

45.0:55.0

117.1

216.4

99.4

180.6

47.0:53.0

117.3

222.2

104.8

190.4

47.5:52.5

117.0

217.4

104.8

179.1

48.0:52.0

116.0

206.0

98.3

179.7

48.5:51.5

117.2

213.6

104.7

187.5

49.0:51.0

117.1

224.7

109.6

206.5

50.0:50.0

116.4

213.8

111.2

193.8

56.0:54.0

117.0

213.4

116.3

202.2

60.0:40.0

117.3

198.6

107.5

194.1

70.0:30.0

117.8

205.8

121.2

200.2

80.0:20.0

117.2

218.6

139.5

149.1

90.0:10.0

120.0

203.3

140.1

219.0

100.0:0.0

150.9

231.3

146.3

218.0

表1 AA-SA二元混合物在各种组合下的相变温度

图1 AA-SA低共熔混合物的DSC曲线（加热速率为2℃/ min）

加入GNP对AA-SA热性能的影响如表2所示。在加入GNP后，虽然熔化温度略有增加，但AA-SA的冷冻温度显着增加。AA-SA的冷冻温度升高 从98.3℃到114.7℃，加入GNP量为0.5％（重量）。此外，AA-SA的熔化潜热减少，同时冻结潜热大大增加。冷冻AA-SA的潜热从180.0 J·g-1增加到207.2 J·g-1，加入0.1wt％的GNP。获得AA-SA的过冷度为17.7℃。在GNP加入量为0.1,0.3和0.5wt％后，过冷度分别显着降低至6.8,3.9和3.6℃。显然，GNP的加入显着降低了过冷度。

样品

熔点(℃)

熔化潜热

(J·g-1)

凝固点(℃)

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资料编号：[1157]

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