55度神奇变温杯的奥秘——相变储能材料研究

（壱） 研究目的本项目以有机合成作为理论依据，将性价比较高的相变储能材料作为芯材，采用抗压抗裂性能好、致密性好、韧性好的改性聚合物及导热率高、物理化学稳定性好的无机材料为壁材，以微胶囊法作为主要封装方法，建立核壳结构的微胶囊骨架网络，通过熔融变化来实现能量的储存和释放，合成出相变温度可控、相变焓值高的新型相变复合材料 。（弐） 研究内容 1正十八烷 +石墨烯 /二氧化硅微胶囊复合相变储能材料的组装合成。①以正十八烷 +石墨烯为芯材，正硅酸四乙酯为无机硅源，分别采用溶胶 -凝胶法和界面聚合法 ， 通过自组装过程，制备无机二氧化硅包覆的微胶囊复合相变储能材料；②通过采用不同浓度的酸性溶液，控制无机硅源的水解聚合速率，得到导热性能良好的复合相变储能材料； ③采用不同的制备方法，从而更好地控制正硅酸四乙酯的水解和缩聚反应，得到表面致密光滑的二氧化硅壁材。2聚合物基微胶囊复合相变储能材料体系的组装技术研究。①以具有较高相变焓的正十八烷为芯材，分别采用原位聚合法和界面聚合法制备不同聚合物基壁材包覆的微胶囊复合相变储能材料。②通过在壁材结构中引入增韧改性剂，提高复合相变储能材料的壁材致密性及抗压、抗裂等性能；同时提高微胶囊复合相变储能材料的相变焓、包裹效率、环保性、表面形貌等各方面性能；（参） 国、内外研究现状和发展动态20世纪 60年代，美国国家航空航天局就开始非常重视相变技术在航天领域的应用。美国的 Telkes对 Na2 SO4 ·10H2 O等水合盐相变材料做了大量的研究工作，并建起了世界第一座 PCMs被动太阳房。日本在 20世纪 70年代早期就对水合硝酸盐、磷酸盐、氟化物、氯化钙等进行了研究。德国的 Krichel绘制大量的PCMs的物性图表。 1992年，法国宣布研制出世界上第一个可用于储 存 能量的小球（ TSL系统），主要用于空调和工业冷却领域。 2001年， Farid等以 CaCl2 -6H2 O作相变材料，采用微胶囊封装技术制备了相变储能地板。 20世纪 90年代初，美国 Triangle公司合成出了直径 15-40μm具有热能吸收和释放功能的微胶

囊，并将微胶囊整理在织物表面得到了具有温度调节功能的纺织品。在我国， 20 世纪 80 年代初，中国科技大学、华中师范大学、中科院广州能源所等单位就开始了对无机盐、无机水合盐、金属等相变材料的研究工作。 20 世纪90 年代，人们开始对有机相变材料进行研究，包括测试相变材料的热物理性质、化学稳定性及对环保的影响等。石蜡开始被逐渐研究制成各种定形相变材料、微胶囊材料、复合相变材料等，用于太阳能蓄能系统、空调系统的蓄能中。 2000 年，国家“ 973” 项目基金资助中科院化学研究所、工程热物理研究所等单位开展微尺度流动研究，对 PCMs 在流体中的应用进行理论和实验研究。（四） 创新点与项目特色1提出采用高热导率的石墨烯 -钝化金属无机材料与相变材料进行组装制备兼具高热导率、储能效率高的聚合物基微胶囊复合相变储能材料体系的技术方案。目前，多数有机 /无机相变储能材料是将有机材料和无机材料进行复合，追求其良好的热存储性和机械性能。虽然这类复合材料具有良好的相变温度和可逆性，但其热导率非常低，无法满足能源领域的实际要求。因此，采用高热导率的石墨烯 -钝化金属无机材料与相变材料复合，通过表面改性和复合技术可制备出热导性能良好的复合相变储能材料。2提出将混杂工艺应用于制备复合相变储能材料，从而提高复合相变储能材料的相变焓和热导率。混杂工艺是近年刚报道的一种制备陶瓷和厚膜材料的新工艺，目前主要应用于制备复合材料。采用混杂工艺获得的复合材料具有较好的热稳定性和相变温度及热导率；采用该工艺还可以使颗粒度小的相变材料功能相填充于颗粒度大的相变材料功能相颗粒之间，有利于在复合材料内部形成导热网络，从而有效提高复合相变材料的热导率。（伍） 技术路线、拟解决的问题及预期成果1技术路线1)复合相变材料的选择拟选用具有较高相变焓的正十八烷为芯材，有机高分子材料（如单纯的十六醇、聚乙二醇、石蜡和丁四醇等材料）为壁材，分别采用原位聚合法和界面聚合法制备不同聚合物基壁材包覆的微胶囊复合相变储能材料。同时选择具有较高热导率的石墨烯及钝化金属铝制备复合相变储能材料。