碳纳米管对棕榈酸 — — 硬脂酸酸共晶混合物作为相变储能材料的热行为的影响外文翻译资料

 2022-09-25 16:54:20

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碳纳米管对棕榈酸 — — 硬脂酸酸共晶混合物作为相变储能材料的热行为的影响

概念

对碳纳米管 (Cnt) 对棕榈酸 — — 硬脂酸酸二元低共熔混合物 (PA — — SA) 热行为的影响进行了实验研究。制备碳纳米管质量分数为5 wt.%,6 wt.%，7 wt.%，8 wt.%的PA — — SA/碳纳米管复合相变材料 (Pcm) 四个样本。PA-SA /碳纳米管复合相变储热性能的差示扫描量热的特征表明，当改变碳纳米管的质量分数时复合材料的相变温度和潜热变化很小。当碳纳米管的质量分数由 5 wt.% 、6 wt.%、 7 wt.%、 8 wt.%升高时，PA — — SA/碳纳米管复合相变材料的热导率分别增长了20.2%,26.2%,26.2%和29.7%。热性能测试结果表明,由于碳纳米管的加入使存储率降低从而导致复合相变储热材料的热释放率增加。热循环测试结果显示,PA-SA /碳纳米管复合相变储热可靠性表现良好。

1.介绍

潜热热能存储(LHTES)吸引了大量关注, 利用相变材料(潜热)在融化/冻结过程中可以存储/释放能量。LHTES一直是在能源存储系统主要的研究课题，由于其高储能密度和能量储存的特点/释放一个几乎恒定的温度。目前,许多pcm都可划分为无机、有机并且它们的混合物被广泛研究。一般来说,无机吸附的储能密度高于有机;然而,他们的应用被其高过冷性质极大地限制了。其中有机相变材料，脂肪酸作为有前途 PCMs 是由于其低过冷度，无毒性、热和化学稳定性好、 体积变化小，自发成核行为和形成低共熔混合物。共晶混合物是两个或更多成分组成的混合物,其熔点低于每个成分。癸酸、肉豆蔻酸共晶混合物(CA-MA)的相变温度是21°C制备PCM,加入膨胀珍珠岩形成新颖的稳定的PCM作为建筑中的LHTES 。癸酸(CA),月桂酸(LA),肉豆蔻酸(MA)、硬脂酸(SA)被选为二元脂肪酸共晶混合物是为了降低相变温度。然后,二元脂肪酸低共熔混合物作为PCMs和poly (甲基丙烯酸甲酯)作为辅助材料使用加上50/50 wt. %的比例。复合材料可用于建筑节能。与简单的脂肪酸相比其具有更广泛范围的相变温度和更稳定的热性能，共晶混合物的脂肪酸是广泛用于各种应用，例如太阳能蓄能、 空调冷凝热回收系统等建筑节能工程 。像其他有机相变材料，脂肪酸具有导热系数低，是严重制约了其应用的一个主要缺点。为了解决这一问题，科学家作了许多努力，一直致力引进金属颗粒，散热片，泡沫或碳添加剂到 PCMs中。但是，金属材料会降低相变材料储能密度。具有高的热导率和低密度的碳添加剂有巨大的潜力，提高相变材料的热导率。多壁碳纳米管和石墨作为添加剂来影响相变温度和加热变化实验研究来评估其可行性蓄热器。对纳米碳纤维的热性能(cnf)和碳纳米管(碳纳米管)填充吸附实验(大豆蜡和石蜡)进行了研究,旨在提高其热导率。介绍了一些化学组织到碳纳米管的表面由四个不同的治疗方法。为修改后的碳纳米管分散到棕榈酸(PA)潜热计算做准备。测量结果表明，复合相变材料的热导率增加是高度依赖于碳纳米管改性工艺 。在本文中，棕榈酸和硬脂酸酸低共熔混合物 (PA — — SA) 是首先制备的。然后开发了一套 PA — — SA/碳纳米管复合相变材料，提高导热系数的 PCM 与碳纳米管作为添加剂。分析了碳纳米管的质量分数对复合相变材料的热性能、 热导率和热存储/释放率的影响。此外，还通过加速热循环试验性研究热的可靠性。 PA — — SA/碳纳米管复合相变材料显示适当的热行为，太阳能储能、 空调冷凝热回收系统和其他潜在的应用。

2.试验

2.1. 材料和样品制备

棕榈酸(PA、AR融化相变温度(Tm):62.0°C,冻结相变温度(Tf):60.6°C), 、 硬脂酸 (SA，AR，Tm: 68.5 ° C，Tf:67.4 ° C) 取自中国上海阿拉丁工业公司。多壁碳纳米管 (碳纳米管纯度: gt; 95%，OD:20 - 30 nm,ID:5 - 10纳米,长度:10-30um,体积密度:0.28克/立方厘米,密度:_2.1克/立方厘米)由成都中国科学院有机化工股份有限公司提供的。图1显示了碳纳米管的扫描电子显微镜图像。从图1可以看到,总在碳纳米管纳米效应和碳纳米管的外径是供应商提供的符合。PA-SA共晶混合物制备的质量比是62:38。PA — — SA/碳纳米管复合相变材料制备有以下方案。准备的 PA — — SA 在70°C恒温水浴中加热 。当PA-SA完全融化时,碳纳米管的质量分数1 - 8 wt. %(逐步增加1 wt. %)添加和PA-SA在70°C的电磁搅拌器中搅拌1 h搅拌均匀,超声振动另一个1 h,保证完全混合。然后,样本被冷却到室温。发现样品碳纳米管含量在1 - 4 wt. %的有明显分层,而5 - 8 wt. %没有分层(图2)。因此,PA-SA /碳纳米管中，把碳纳米管质量分数从5 wt. %到 8 wt. %的作为研究的对象。

2.2．热性能测试

PA-SA的相变温度及潜热和PA-SA /碳纳米管复合吸附是通过使用DSC(TA Q20美国) 在 5 ° C/min 下氩的 50 毫升/分钟的流速恒定流中获得，DSC热分析的温度范围30 - 80°C。DSC仪校准中铟作为标准参考材料,晶胞常数1.0282。每个样本大约5毫克，放置在一个铝锅，测试五次,求平均值。相变温度对应于开始温度，通过画一条线在最大坡度的前缘的 DSC 峰值并且推算出基线上同侧前缘的高峰期。相变潜热热的获得是通过计算数值积分下的峰面积。这意味着其宽度高度的一半点与 DSC 曲线峰值半宽度是通用分析软件发现的。

2.3.导热系数测量

PA-SA和PA-SA /碳纳米管的热导率通过热性能分析仪测量。准备的PA-SA /碳纳米管融化后,转入直径为30毫米,高度为10毫米的铝制模具中。然后取出凝固的圆盘形样品并获得甚至上下表面抛光。以直径 6.5 毫米的 5501 探头放置两个样本之间进行热导率的测试。每个样品测试三次,求平均值。

2.4．热性能测试

热性能测试是使用恒温水浴方法。30 g PA-SA和30 g PA-SA /碳纳米管复合吸附分别插入相同的玻璃试管。热电偶放置在试管的中心。当测试管内材料的温度在 12 ° C 的恒温下的时候，这两个试管在恒温为68°C下水浴。然后测量储热过程。热存储完成后，测试管立即在一个恒定的温度 12 ° c进行凝固过程。放热曲线得到温度变化记录。样品的温度变化是由电脑的数据记录器自动记录的，温度测量精度为plusmn;0.25°C的时间间隔10秒。

2.5．热循环测试

加速热循环测试是通过金属浴测量(CHB-T2-E,中国)。把准备好的PA-SA /碳纳米管复合吸附不同质量分数的碳纳米管放置在2毫升离心管中，在70°C 金属浴中加热1分钟,然后在40°C冷却1分钟。热循环 600 次后, 采用 DSC进行测试。复合相变材料的热可靠性通过观察 600 次热循环前后的 DSC对比结果。

3．结果与讨论

3.1. PA — — SA/碳纳米管复合相变材料的热性能

相变温度和潜热是 PCM 在其应用程序中两个重要参数。一个理想的PCM应该与相变温度适合潜热存储系统。此外,较高的相变潜热PCM,其能量储存密度更高。为了获得合适的相变温度的PA和SA和在LHTES中发展更稳定的材料，PA-SA共晶混合物(62:38质量)获得发展。DSC结果表明,PA-SA的融化和冻结温度分别为53.95°C和53.72°C,融化和冻结的潜热分别为177.7 J / g和178.1 J / g。

图 3.PA — — SA 和不同质量分数的PA— — SA/碳纳米管复合相变材料熔融过程的 DSC 曲线。

图 3 显示出在熔化过程中的 PA — — SA /碳纳米管复合相变材料的 DSC 曲线。可以看到的是，PA— — SA/碳纳米管复合相变材料的 DSC 曲线基本上一样，但是相转变温度轻微的降低，即随着碳纳米管的质量分数的增加相转变温度呈现下降的趋势。表1总结了PA-SA的热性能和PA-SA /碳纳米管复合吸附与偏差值。它指示当碳纳米管的质量分数分别为 5 wt.% 、6 wt.%、 7 wt.%、 8 wt.%时，复合相变材料的熔化温度分别比 PA — — SA 低0.27、0.33、0.29、0.36 °C；当碳纳米管的质量分数分别为 5 wt.% 、6 wt.%、 7 wt.%、 8 wt.%，复合相变材料的半高宽度分别比 PA — — SA 高0.28 ° C、 0.56 ° C、 0.55 ° C 和 0.66 ° C 。这可能是由于碳纳米管的高导热性促进了复合相变材料的传热性能。此外，碳纳米管的质量分数的增加意味着添加剂可以进一步提高传热性能，因为熔融温度和半宽度随着碳纳米管质量份数的增大而减小。表 1 还显示 PA — — SA/碳纳米管复合相变材料的相变潜热随碳纳米管的含量增加而减小，这主要是因为在PA — — SA/碳纳米管复合相变材料中只有在相变过程中才会储存潜热。PA — — SA/碳纳米管复合相变材料显示良好的热性能，从 163.0 至 168.3 J/g高的熔化潜热。

图 4 和表 2 中列出了 DSC 曲线和热性能与PA— — SA 和PA— — SA/碳纳米管复合相变材料在冻结过程中的偏差值。

图4.PA — — SA 和不同质量分数的PA— — SA/碳纳米管复合相变材料冻结过程的DSC 曲线。

图 4 表明当碳纳米管的质量分数分别为 5 wt.% 、6 wt.%、 7 wt.%、 8 wt.%时，复合相变材料的冻结温度分别比PA — — SA 高0.09°C,0.06°C,0.10°C和0.08°C；并且当碳纳米管的质量分数分别为 5 wt.% 、6 wt.%、 7 wt.%、 8 wt.%时，复合相变材料的 DSC 曲线的半高宽度比PA — — SA低 0.26 ° C、 0.63 ° C、 0.58 ° C 和 0.69 ° C 。 PA — — SA/碳纳米管复合相变材料的冻结潜热的范围是 160.5 — — 168.5 J/g 。由于碳纳米管的加入, PA-SA /碳纳米管复合材料与PA-SA相比呈现较低熔融温度但更高的冻结温度 ，扩展复合相变材料相变温度的范围，从而丰富他们在贮热中的应用。

3.2.PA — — SA/碳纳米管复合相变材料热导率的改进

图 5.碳纳米管质量分数不同的PA — — SA/碳纳米管复合相变材 料热导率。

导热系数是影响相变材料能量储存或释放率的另一个重要参数。表 3 列出了PA — — SA与不同质量分数的 PA — — SA /碳纳米管复合相变材料的热导率。图5显示了热导率的改进和误差。PA-SA导热系数的测量值为0.263 W / m K,这对于储能应用来说太低了。可以发现，通过引入碳纳米管来增加PA — — SA 的热导率。当碳纳米管的质量分数是 5 wt.% 、6 wt.%、 7 wt.%、 8 wt.%由PA — — SA相比，PA — — SA复合相变材料的热导率分别上升的 20.2%、 26.2%、 26.2%和 29.7%。可以看到，增加碳纳米管的含量可以提高增强率。添加的碳纳米管分散在PA-SA可以形成一个大的长宽比的热导电网络。PA — — SA保持在由碳纳米管构成的网络中，以及碳纳米管具有高的热导率。因此,碳纳米管可以增加PA-SA的导热系数。此外，随着碳纳米管含量增加，热的导电网络变得越来越紧凑，结果导致PA — — SA/碳纳米管复合相变材料的热导率 越来越高。

3.3.PA — — SA/碳纳米管复合相变材料在充电和放电过程期间的热性能

图 6.在充电过程中碳纳米管质量分数不同的 PA — — SA/碳纳米管复合相变材料熔化温度曲线。

图 6 显示充电过程中的PA— — SA 和PA— — SA/碳纳米管复合相变材料的特性曲线。从图6可以看到,当样品的中心温度从12°C上升到相变温度54°C时,PA-SA /碳纳米管复合材料温度的增加率高于纯PA-SA。在潜热储能过程中，PA— — SA/碳纳米管复合相变材料的热能量存储率均低于纯 PA — — SA。这主要是因为在过程中，当温度从 12 °C 上升到 54 °C，样本是固态的，它决定热传播以热传导的形式进行, 由于PA-SA /碳纳米管复合材料的热导率都高于PA-SA, 因此能量传递率前者高于后者。样品的温度达到熔点后，样品熔体从外面熔化，从固体变成液体，决定热传播以热传导和自然对流换热的形式进行，在这种情况下, 由于碳纳米管的加入大大增加粘度，所以自热对流换热被严重削弱，他们不能增加热传导，与PA — — SA相比PA — — SA / 碳纳米管复合相变花了较长的时间使温度从 54 ° C 上升到 68 ° C 。图 6 还表明，随着碳纳米管的质量分数从 5 wt.%增加到 7 wt.%，复合相变材料需要更长的时间来储存潜热，但最短的时间为 PA–SA/CNTs-8%，可能是由于加入碳纳米管产生联合效应，增加了热传导和削弱了热对流。

图 7.在放电过程中不同质量分数PA — — SA/碳纳米管复合相变材料冻结温度曲线。

图 7 显示在冻结过程中的PA— — SA 和PA— — SA/碳纳米管复合相变材料的特性曲线。从图7可以看出,几乎需要相同的时间使样品中心温度从68°C降低到冻结温度; 相对于那些PA-SA /碳纳米管复合材料，PA-SA需要更长的时间使温度降至12°C的冻结温度。原因主要在于在放电过程中，PA — — SA 从外面由液体到固体，

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