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淺談HDPE/石蠟/活性炭三元相變儲(chǔ)能材料的制備及熱性能研究論文
相變儲(chǔ)能材料的研發(fā)旨在緩解傳統(tǒng)能源的短缺問(wèn)題，即利用材料相變過(guò)程的吸熱、放熱作用，調(diào)整、控制工作源或材料周圍環(huán)境的溫度，以減輕能源供求在時(shí)間和空間上的不匹配。相變材料的制備方法有很多種，如熔融共混法、吸附法、接枝共聚法、溶膠凝膠法等，而在實(shí)際研究過(guò)程中，可根據(jù)相變儲(chǔ)能材料的不同來(lái)選取適當(dāng)?shù)闹苽浞椒āＱ芯肯嘧儍?chǔ)能材料的關(guān)鍵在于捕捉材料的優(yōu)點(diǎn)，克服材料的不足，從而在實(shí)際應(yīng)用中最大化地利用材料的優(yōu)點(diǎn)，并減少不必要的損失。
大部分相變材料通常僅有一個(gè)相變點(diǎn)，無(wú)法滿足溫度連續(xù)改變時(shí)的儲(chǔ)能需求。本研究則利用具有不同相變溫度的高密度聚乙烯(HDPE)和石蠟(相變溫度分別為120和65℃ )，采用熔融共混法制備出了具有兩個(gè)相變點(diǎn)的HDPE/石蠟/活性炭復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，并利用差示掃描量熱儀(DSC)研究了不同HDPE/石蠟/活性炭復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的熔融過(guò)程，其中重點(diǎn)考察了該材料的相變溫度和相變焓，從而為HDPE/石蠟相變儲(chǔ)能材料的研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原料
高密度聚乙烯(HDPE)，5000S，蘭州化學(xué)工業(yè)公司;石蠟，市售;活性炭，化學(xué)純，天津天達(dá)凈化材料精細(xì)化工廠。
1.2 儀器與設(shè)備
真空烘箱，HJ-ZK45GW，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;差示掃描量熱儀(DSC)，DSC1/200，瑞士梅特勒-托利多公司;模具，自制。
1.3 制備工藝流程
將石蠟升溫至65℃后加入經(jīng)干燥處理的活性炭(干燥12 h)，不斷攪拌下繼續(xù)加熱至120~150℃，然后加入HDPE混合均勻，得到HDPE/石蠟/活性炭三元相變儲(chǔ)能材料(其配比分別為9/9/2、7/11/2、5/13/2、3/15/2)。將上述相變儲(chǔ)能材料在自制模具中冷卻成型，制得測(cè)試樣品。
1.4 測(cè)試與表征
宏觀相變測(cè)試：選擇幾個(gè)特定溫度，將HDPE/石蠟/活性炭復(fù)合相變儲(chǔ)能材料樣品恒溫20 min，觀察相變材料的形態(tài)變化，并用相機(jī)拍攝宏觀相變的變化。DSC測(cè)試：采用差示掃描量熱儀測(cè)試相變溫度和相變焓，升溫速率10℃/min，測(cè)試溫度范圍30~150℃。
2 結(jié)果與討論
2.1 宏觀相變測(cè)試
不同比例的HDPE/石蠟/活性炭復(fù)合相變儲(chǔ)能材料(其配比分別為9/9/2、7/11/2、5/13/2和3/15/2)在不同溫度下的宏觀相變圖,隨著溫度的升高以及石蠟含量的增加(HDPE含量相應(yīng)降低)，石蠟的滲透變得越來(lái)越嚴(yán)重。這是由于HDPE是一種良好的潛熱儲(chǔ)能基體材料，該材料屬于一種非極性熱塑性樹(shù)脂，以線型結(jié)構(gòu)為主，支鏈短且少，相變溫度為110℃左右，熔體黏度較大;石蠟則具有適合于蓄熱應(yīng)用的熔點(diǎn)，熔化潛熱較大，是很好的相變儲(chǔ)能材料，其結(jié)構(gòu)為十幾到三十個(gè)碳原子的直鏈烷烴，相對(duì)分子質(zhì)量較小;而活性炭是一種外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的一類微晶質(zhì)碳素材料，該材料中含有大量微孔，因而具有良好的吸附性。本研究利用了活性炭的高吸附性，使相變材料樣品在超過(guò)石蠟熔點(diǎn)(65℃)時(shí)的流淌性降低，但活性炭對(duì)低分子石蠟的吸附有飽和值，隨著石蠟含量的增加，活性炭的吸附能力相對(duì)降低，因而石蠟的滲透越來(lái)越嚴(yán)重。
2.2 DSC分析
DSC分析是在程序控溫下測(cè)量樣品與參比物的熱流與溫度的關(guān)系，然后通過(guò)曲線表現(xiàn)為吸熱或放熱的峰或基線的不連續(xù)偏移，是一種高效、快速、靈敏的研究物質(zhì)物理變化和化學(xué)變化的分析測(cè)試手段。可分別以熔融峰溫度和結(jié)晶峰溫度來(lái)表示材料的熔融溫度和結(jié)晶溫度，相變焓(ΔH)可按照下式由儀器自動(dòng)計(jì)算得出。式中，ΔH、ΔHs分別為樣品和標(biāo)樣的熔融焓，kJ/kg;A、As分別為樣品和標(biāo)樣的DSC曲線峰面積，mm2;W、Ws分別為樣品和標(biāo)樣的質(zhì)量，mg;T、Ts分別為樣品和標(biāo)樣的y軸靈敏度，mW/mm;B、Bs分別為樣品和標(biāo)樣的x軸靈敏度，mW/mm。
2.2.1 相變材料的相變焓
復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的DSC曲線上出現(xiàn)了3個(gè)明顯的峰。其中，前兩個(gè)峰分別為石蠟的固-固相變峰和固-液相變峰，對(duì)應(yīng)的相變溫度分別為40℃和65℃左右;后一個(gè)峰為HDPE的相變峰，對(duì)應(yīng)的相變溫度為120℃左右。復(fù)合相變材料與純石蠟、純HDPE具有類似的DSC曲線。這表明3種原料(HDPE、石蠟以及活性炭)的混合只是簡(jiǎn)單的物理結(jié)合，各組分的結(jié)晶行為沒(méi)有受到破壞，所得到的材料為相變儲(chǔ)能材料。
2.2.2 實(shí)際相變焓值與理論焓值的比較
不同比例HDPE/石蠟/活性炭復(fù)合相變材料中石蠟及HDPE的相變焓值及其對(duì)應(yīng)的理論焓值(理論焓值=純石蠟(或HDPE)的焓值×復(fù)合材料中石蠟(或HDPE)的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。復(fù)合相變材料中石蠟的實(shí)際焓值和理論焓值偏差不大，表明活性炭和HDPE的加入對(duì)復(fù)合相變材料中石蠟的相變焓值影響較小。這可能是由于石蠟是一種小分子的有機(jī)晶體材料，其結(jié)晶度較低，活性炭顆粒的引入對(duì)其結(jié)晶性影響不大;另外，HDPE對(duì)石蠟僅起到包覆作用，而在每一個(gè)HDPE包覆石蠟的微結(jié)構(gòu)中，石蠟的結(jié)晶度未發(fā)生改變。此外，隨著復(fù)合相變材料中HDPE含量的減少(石蠟的含量相應(yīng)增加)，HDPE的實(shí)際焓值也隨之減小，但仍明顯高于對(duì)應(yīng)的理論焓值。這可能是由于活性炭具有較強(qiáng)的吸附作用，隨著HDPE含量的減少，活性炭與HDPE的比值相應(yīng)增大，吸附作用增強(qiáng)，誘導(dǎo)熔融過(guò)程中自由運(yùn)動(dòng)的HDPE鏈段局部重新規(guī)整排列，即誘導(dǎo)二次結(jié)晶，進(jìn)而使HDPE的熔融焓值高于相應(yīng)的理論焓值。
3 結(jié)論
(1)隨著溫度的升高以及石蠟含量的增加，HDPE/石蠟/活性炭復(fù)合相變儲(chǔ)能材料中石蠟的滲透變得越來(lái)越嚴(yán)重。
(2)復(fù)合相變材料中石蠟的實(shí)際焓值和理論焓值偏差不大，而HDPE的實(shí)際焓值卻明顯高于理論值。
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