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| 內容簡介： |
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《相变储能木基复合材料》是一部生物质材料功能化改良的专业著作。主要内容包括：绪论、微胶囊与相变储能木基复合材料的制备及表征、GO改性微胶囊与相变储能木基复合材料的制备及表征、GO/CNT改性微胶囊与相变储能木基复合材料的制备及表征、木质光热复合相变材料的制备与性能研究、定形木质光热复合相变材料的制备与性能研究、定形木质光热增强型复合相变材料的制备与性能研究。
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目录前言 第1章 绪论 11.1 相变材料 21.2 相变材料的分类 31.3 相变储能材料的封装 41.3.1 微胶囊表面包覆法 51.3.2 多孔介质物理吸附法 71.3.3 表面化学接枝 81.4 相变储能微胶囊的导热强化 91.5 光热转换材料 101.6 光热转换材料的分类 101.6.1 碳基材料 111.6.2 金属基材料 121.6.3 半导体材料 121.6.4 有机材料 131.6.5 其他材料 141.7 木基复合储能材料 151.7.1 木基复合相变材料 151.7.2 木基复合光热转换材料 171.7.3 木基复合光热转换相变材料制备方法 17第2章 微胶囊与相变储能木基复合材料的制备及表征 202.1 引言 202.2 实验部分 212.2.1 实验材料 212.2.2 实验设备 222.2.3 微胶囊与相变储能木基复合材料的制备 232.2.4 样品表征 242.3 结果与讨论 252.3.1 微胶囊形貌分析 252.3.2 微胶囊防泄漏性分析 272.3.3 微胶囊的化学结构 282.3.4 微胶囊热性能分析 292.3.5 微胶囊热稳定性分析 312.3.6 木材孔径分析 322.3.7 相变储能木基复合材料形貌分析 332.3.8 相变储能木基复合材料热性能分析 332.3.9 相变储能木基复合材料热稳定性分析 352.4 本章小结 35第3章 GO改性微胶囊与相变储能木基复合材料的制备及表征 373.1 引言 373.2 实验部分 383.2.1 实验材料 383.2.2 实验设备 393.2.3 GO改性微胶囊与相变储能木基复合材料的制备 393.2.4 样品表征 413.3 结果与讨论 423.3.1 GO改性微胶囊形貌分析 423.3.2 GO改性微胶囊的化学结构 433.3.3 GO改性微胶囊热性能分析 443.3.4 GO改性微胶囊热稳定性分析 453.3.5 GO改性微胶囊热导率分析 463.3.6 相变储能木基复合材料形貌分析 473.3.7 相变储能木基复合材料热性能分析 483.3.8 相变储能木基复合材料热稳定性分析 493.4 本章小结 50第4章 GO/CNT改性微胶囊与相变储能木基复合材料的制备及表征 514.1 引言 514.2 实验部分 524.2.1 实验材料 524.2.2 实验设备 534.2.3 GO/CNT改性微胶囊与相变储能木基复合材料的制备 534.2.4 样品表征 554.3 结果与讨论 554.3.1 GO/CNT改性微胶囊形貌分析 554.3.2 GO/CNT改性微胶囊热性能分析 564.3.3 GO/CNT改性微胶囊热稳定性分析 574.3.4 GO/CNT改性微胶囊热导率分析 584.3.5 相变储能木基复合材料形貌分析 594.3.6 相变储能木基复合材料热性能分析 604.3.7 相变储能木基复合材料热稳定性分析 614.4 本章小结 62第5章 木质光热复合相变材料的制备与性能研究 635.1 引言 635.2 实验部分 645.2.1 实验材料 645.2.2 实验设备 645.2.3 激光雕刻木材LEW的制备 655.2.4 CA-SA共晶相变材料的制备 665.2.5 CA-SA@LEW木质复合材料的制备 665.2.6 样品表征与测试 675.3 结果与讨论 695.3.1 激光雕刻木材LEW的物理结构分析 695.3.2 激光雕刻木材LEW的微观形貌和孔结构 715.3.3 激光雕刻木材LEW的化学结构分析 725.3.4 CA-SA共晶相变材料的储热性能分析 755.3.5 CA-SA@LEW木质复合材料的微观形貌 765.3.6 CA-SA@LEW木质复合材料的傅里叶变换红外光谱分析 775.3.7 CA-SA@LEW木质复合材料的热物性分析 785.3.8 CA-SA@LEW木质复合材料的形状稳定性 805.3.9 CA-SA@LEW木质复合材料的光热转换性能分析 815.3.10 CA-SA@LEW木质复合材料的表面润湿性分析 815.3.11 CA-SA@LEW木质复合材料用于建筑物室内的效益评估 825.4 本章小结 83第6章 定形木质光热复合相变材料的制备与性能研究 846.1 引言 846.2 实验部分 846.2.1 实验材料 846.2.2 实验设备 856.2.3 激光雕刻木材LEW的制备 866.2.4 CA-SA/SiO2复合相变材料的制备 866.2.5 CA-SA/SiO2@LEW木质复合材料的制备 866.2.6 样品表征与测试 866.3 结果与讨论 886.3.1 CA-SA/SiO2复合相变材料的化学结构分析 886.3.2 CA-SA/SiO2复合相变材料的热物性分析 906.3.3 CA-SA/SiO2复合相变材料的形状稳定性 916.3.4 CA-SA/SiO2@LEW木质复合材料的傅里叶变换红外光谱分析 926.3.5 CA-SA/SiO2@LEW木质复合材料的热物性分析 936.3.6 CA-SA/SiO2@LEW木质复合材料的微观形貌 956.3.7 CA-SA/SiO2@LEW木质复合材料的形状稳定性 966.3.8 CA-SA/SiO2@LEW木质复合材料的光热转换性能分析 966.3.9 CA-SA/SiO2@LEW木质复合材料的表面润湿性分析 996.3.10 CA-SA/SiO2@LEW木质复合材料用于建筑物室内的效益评估 996.4 本章小结 100第7章 定形木质光热增强型复合相变材料的制备与性能研究 1027.1 引言 1027.2 实验部分 1027.2.1 实验材料 1027.2.2 实验设备 1037.2.3 激光雕刻木材LEW的制备 1047.2.4 CA-SA/SiO2-C复合相变材料的制备 1047.2.5 CA-SA/SiO2-C@LEW木质复合材料的制备 1057.2.6 样品表征与测试 1057.3 结果与讨论 1077.3.1 SiO2-C复合材料的微观结构 1077.3.2 CA-SA/SiO2-C复合相变材料的化学结构分析 1087.3.3 CA-SA/SiO2-C复合相变材料的潜热分析 1107.3.4 CA-SA/SiO2-C复合相变材料的形状稳定性分析 1117.3.5 CA-SA/SiO2-C@LEW木质复合材料的傅里叶变换红外光谱分析 1127.3.6 CA-SA/SiO2-C@LEW木质复合材料的微观形貌分析 1137.3.7 CA-SA/SiO2-C@LEW木质复合材料的热物性分析 1147.3.8 CA-SA/SiO2-C@LEW木质复合材料的形状稳定性分析 1167.3.9 CA-SA/SiO2-C@LEW木质复合材料的光热转换性能分析 1177.3.10 CA-SA/SiO2-C@LEW木质复合材料的表面润湿性分析 1197.3.11 CA-SA/SiO2-C@LEW木质复合材料用于建筑物室内的效益评估 1197.4 本章小结 120第8章 结论与展望 1218.1 主要结论 1218.2 展望 123参考文献 125
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第1章绪论 可持续发展已经成为全世界人类社会和经济发展的核心原则，能源和环境的可持续发展及利用是尤为重要的，因为这两个重要的问题决定着人类的生存和社会的发展[1]。然而，随着全球经济增长和人口激增，对化石燃料的需求迅速增加，这不仅造成了传统化石能源的短缺，也带来了重大的环境影响，导致了温室气体排放、全球变暖、气候变化和环境污染等一系列全球性的问题。根据《2017年国际能源展望》的预测，2015年至2040年，全世界的能源消耗将增长28%，而传统的化石能源如果继续大量使用，到2040年与能源相关的二氧化碳排放量将增加到近400亿t，这将对人类的生存造成极大的威胁[2]。能源枯竭和环境污染带来的双重压力迫使人类不断探索新型的可再生和清洁能源[3-5]。同时，能源供需在空间和时间上的不平衡，导致能源利用效率低下，进一步加剧了能源开发利用过程中的资源浪费和环境问题[6-9]。因此，有必要在积极探索新型能源的同时，也着眼于开发能源利用技术，以实现能源的高效利用。 热能储存可有效提高能量的利用效率，在可持续发展和应对环境挑战方面发挥着关键作用，常见热能储存方式有化学反应储能、显热储能和潜热储能（相变储能）三种。其中，化学反应储能是利用化学反应吸/放热来达到热能的储存和释放，但是这种方式反应过程复杂且难以控制，实际应用较困难[10]；显热储能是利用材料的比热容和温度变化实现热能的储存和释放，但材料的比热容在较大的温度变化范围内才会产生变化，且储能密度小，需要较大空间来安放储能装置，不利于实际使用[11]；潜热储能是通过相变材料的相变过程实现热量的储存和释放，是目前*重要和应用*多的热能储存方式，也是未来*具有发展潜力的储能方式之一，近年来受到了学术界和工业界越来越多的关注。相变材料是一类具有高储能密度的化学物质，通过相变可以在几乎恒定的温度下吸收或释放大量的潜热[12，13]。相变材料不仅比显热储热材料的储能密度更高，且具有温度变化范围小、储能过程简单和热效率高等优势，可缩小能源可用性和能源使用之间的差距，有效提高能源利用效率[14，15]，减少二氧化碳的排放[16，17]。自20世纪开始研究以来，相变材料已广泛应用于太阳能储能、工业余热回收、建筑节能、电子元件散热、冷链运输、恒温纺织品、电池热调节等诸多领域[18-23]。 1.1相变材料 相变材料是一种能在接近恒定温度下熔融和结晶的物质，在发生相变时能够储存和释放大量能量，其中所包含的材料种类十分广泛。热能在相变过程中以潜热的形式储存在相变材料内部，直到相变材料经历相反的相变过程，储存在相变材料内部的热能会再次释放出来，这就是相变储能的过程[24，25]。其中，相变温度和潜热值是相变材料非常重要的两个性能参数。相变温度是相变材料开始从一种相转变为另一种相时的温度，而潜热值是指在相变过程中相变材料吸收或释放的热能的量。相变材料的工作机制如图1.1所示，包括在恒温下储存和释放热能，是分子间的相互作用。氢键的可逆断裂和形成是熔融和结晶过程中热能储存和释放的原因。在吸热条件下，当未达到相变温度时，相变材料*先表现出与显热储能材料相同的性质，在这个过程中，热能的吸收和储存会导致相变材料自身温度上升，但是，当达到相变温度时，相变材料就会在恒定温度下以熔融过程中潜热的形式储存能量。当相变材料完全熔化时，进一步的热作用会再次导致相变材料温度上升，类似于显热储存。当熔化的相变材料冷却后，相变材料开始凝固，并在达到凝固温度时释放约等于熔融时的潜热值。从热力学角度分析，相变材料的储热原理与材料内分子的排布状况有关，有序的分子排列内能低、分子振动慢；无序的分子排列内能高、分子间振动快。当相变材料分子排列从有序到无序排列转变时，宏观上表现为熔化，吸热；反之则为凝固，放热[26，27]。相变材料利用相态的转变从外界环境中吸收或释放热量，从而达到调节周围环境温度和节能的效果。 1.2相变材料的分类 根据相变材料的化学成分分类，相变材料可分为有机（石蜡、脂肪酸和多元醇等）相变材料[28]、无机（结晶水合盐、金属合金和熔融盐等）相变材料及共晶混合物（两种及两种以上相变储能材料按一定比例混合形成的共晶物）[29-31]。其中，共晶相变材料与单一相变材料的热物理性质一致，熔点和相变潜热都是唯一确定的，但其熔点会比其组成成分的熔点低，即形成一个新的熔点，因此可以通过制备共晶相变材料拓展相变材料的相变温度分布[32，33]。此外，共晶相变材料还具有更加稳定的性能，因此受到很多的关注和研究。 根据相变过程的相变温度分类，相变材料可分为低温型（Tm<100℃）相变材料，主要是大多数的有机相变材料；中温型（100≤Tm<600℃）相变材料，以熔融盐类为主，还含有极少量的金属合金；高温型（Tm≥600℃）相变材料，包括绝大多数的金属及其合金。 根据相态变化分类，相变材料可分为固-液相变材料、固-固相变材料、固-气相变材料及液-气相变材料（图1.2）。其中，固-气相变材料和液-气相变材料由于相变过程体积变化大，不易控制，因此很少应用于储能领域；而固-固相变材料虽然在相变过程中体积变化小，但其相变潜热过低，储能效果差。而固-液相变材料凭借相变过程体积变化小、潜热高的优点，被广泛应用于热能储存领域。 1.3相变储能材料的封装 相变材料可以在几乎恒定的温度下通过相变储存或释放热量，是一种非常有前景的潜热储存材料。因此，利用相变材料的特性来储存多余的能量可以有效缓解能量分布不均匀的问题。在众多相变材料中，有机固-液相变材料因其储能密度高、过冷度低、相变温度适宜、体积变化小、无腐蚀性、性能稳定等优点而受到广泛的研究[34-36]。然而，固-液相变过程中液态相变材料的泄漏却极大地限制了有机固-液相变材料的实际应用[37]。因此，使用合理的方法对有机固-液相变材料进行封装，制备出形状稳定的相变材料，是目前的研究热点。目前定形相变材料的制备方法主要有微胶囊表面包覆法、多孔介质物理吸附法以及表面化学接枝法等[38-41]。 1.3.1微胶囊表面包覆法 微胶囊是指通过微胶囊表面包覆技术，使用壳体材料（壁材）将相变材料（芯材）包裹在其中而形成的一种核-壳结构的复合相变材料，其粒径在1～1000μm之间，这种核-壳结构在极大程度上解决了固-液转换过程中相变材料的泄漏问题；壁材的存在使相变材料与外界环境隔绝，改善了相变材料的稳定性，增加了相变材料的传热面积，拓宽了相变材料的适用范围[42-44]。 相变储能微胶囊的合成方法有很多种，按照制备原理可分为以下三大类，即化学法、物理法和物理化学法。化学法包含原位聚合法、界面聚合法等；物理法包含喷雾干燥法、溶剂蒸发法等；物理化学法包含复凝聚法、单凝聚法等[45]。使用物理法和物理化学法制备相变储能微胶囊需要借助于复杂的仪器，制备成本较高。因此，化学法凭借简单的制备工艺和较低的制备成本成为合成微胶囊的主要方法，其中原位聚合法和界面聚合法制备出的微胶囊粒径均一、包封效果好，是目前*为常用的两种方法。 1.原位聚合法 原位聚合法是将芯材在乳化剂的作用下进行乳化，形成水包油（O/W）的乳液体系，然后将壁材反应性单体（或其可溶性预聚体）与催化剂全部加入分散相（或连续相）中，可溶解的单体通过聚合反应生成不溶性的高分子聚合物，聚合物沉积在芯材表面形成壁材，*后经过固化形成相变微胶囊，如图1.3所示[45-47]。与其他反应型微胶囊制备方法相比，可用于原位聚合的反应单体种类更多，微胶囊的尺寸与壁厚容易控制。 Srinivasaraonaik等[48]采用原位聚合法，以共晶混合物（75%硬脂酸+25%癸酸）为芯材，以三聚氰胺甲醛（MF）树脂为壁材合成了相变微胶囊，相变微胶囊呈光滑的球形，平均粒径为10.41μm，DSC结果显示，微胶囊的熔点和熔融潜热分别为34.5℃和103.9J/g，包封率为85.3%，经过2000次的加热-冷却循环后仍有较高的热稳定性。Konuklu和Erzin[49]采用原位聚合法制备了三聚氰胺尿素甲醛（MUF）树脂微胶囊并对微胶囊的热性能进行了分析，结果显示，三聚氰胺尿素甲醛树脂微胶囊的熔融潜热和结晶潜热分别为84.54J/g和88.29J/g，熔融和结晶温度分别为9.12℃和8.12℃，包封率为48%。Wang等[50]采用原位聚合法，以十四醇为芯材，以表面镀银的三聚氰胺甲醛尿素共缩聚树脂为壁材合成了相变微胶囊，微胶囊外观呈球形，熔融潜热为126.6J/g，包封率为59.3%，由于镀银层的加入，相变材料热稳定性增强，结晶温度由37.2℃变为35.8℃，有效抑制了过冷。Wan等[51]采用原位聚合法制备了交联杂化聚合物壳石蜡微胶囊，微胶囊表现出良好的形貌和完整的核壳结构，相对于理论潜热，实测潜热在加热/冷却过程中分别提高了58.7%和63.9%。 2.界面聚合法 界面聚合法是将芯材分散在溶有一种壁材单体A的连续相中，形成水包油（O/W）或油包水（W/O）乳液，向其中缓慢加入另一种壁材单体B，这两种反应性单体在两个非混相介质中，只在溶液之间的界面上发生反应，在表面形成薄膜，最终形成微胶囊[52]，如图1.4所示。主要反应方式有界面加成聚合和界面缩合聚合，而缩聚反应工艺使用更为广泛。一般来说，界面聚合法对单体纯度要求不高，但要有高活性，故反应条件温和，反应能够在界面处快速发生反应，单体处于互不相溶的两相中，所以对配合比的要求也不是特别高，是制备微胶囊常用的方法之一。 Fu等[54]以五水硫代硫酸钠为芯材，以聚2-氰基丙烯酸乙酯为壁材，在油包水乳液体系中通过界面聚合法合成了一种微囊化相变材料。该微胶囊直径约为1.0μm，核壳结构清晰；当芯材/单体质量比为2︰1时，微胶囊的相变温度为46.44℃，潜热为107.0J/g。杨颖旎等[55]以聚乙二醇1000（PEG1000）为芯材，以异氟尔酮二异氰酸酯（IPDI）和二乙烯三胺（DETA）为反应单体，以聚氨酯为壳材料，通过界面聚合法制备相变储能微胶囊，该微胶囊呈球形且分布均匀，在熔融和结晶阶段的相变温度分别为24.51℃和38.10℃，熔融潜热和结晶潜热分别达到了96.6J/g和109.6J/g，具有良好的热稳定性和形状稳定性。辛成等[56]采用界面聚合法，以硬脂酸丁酯为芯材，以聚氨酯为壁材合成了相变微胶囊。微胶囊的熔融温度和熔融潜热分别为20.60℃和84.09J/g，在120℃持续放置6h，微胶囊的质量损失率*低仅为21.8%，具有良好的热稳定性和致密性。
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