硝酸鹽微膠囊相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料儲(chǔ)熱性能研究

摘 要：為了分析不同環(huán)境下硝酸鹽微膠囊復(fù)合材料的儲(chǔ)熱性能變化，本文制備了微膠囊和相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料，并進(jìn)行基礎(chǔ)儲(chǔ)熱測(cè)試比較。根據(jù)表征測(cè)試計(jì)算可控溫度差值，測(cè)定基礎(chǔ)導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱率標(biāo)準(zhǔn)；比較MCPCM復(fù)合材料斷面形態(tài)變化，分析熱重情況，并計(jì)算復(fù)合材料導(dǎo)熱率。結(jié)果表明，在4個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，在35℃～55℃、55℃～70℃和70℃～95℃溫度變化下，復(fù)合材料導(dǎo)熱率均＞65%?？梢姀?fù)合材料導(dǎo)熱率隨溫度升高和微膠囊數(shù)量增多而增強(qiáng)，儲(chǔ)熱性能越好；反之，導(dǎo)熱率降低，儲(chǔ)熱性能越差。表明溫度與微膠囊數(shù)量對(duì)復(fù)合材料儲(chǔ)熱性能有顯著影響，為其在不同環(huán)境下的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：硝酸鹽；微膠囊；相變儲(chǔ)熱；復(fù)合材料；儲(chǔ)熱性能

中圖分類號(hào)：TQ 317" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

相變材料（Phase Change Materia，PCM）能夠在幾乎恒定的溫度下吸收或釋放大量潛熱，因此備受關(guān)注。硝酸鹽類相變材料具有相變潛熱較高、相變溫合適的以及熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性良好的特性，是中高溫相變儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)選材料。但是，現(xiàn)階段，硝酸鹽的液態(tài)泄露問題、與封裝材料的相容性差以及熱導(dǎo)率不高等問題限制了其實(shí)際應(yīng)用推廣。為了解決上述問題，本文將硝酸鹽相變材料封裝于微膠囊中，形成硝酸鹽微膠囊相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料，結(jié)合實(shí)際需求，提出對(duì)硝酸鹽微膠囊相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料進(jìn)行儲(chǔ)熱性能的分析與實(shí)踐研究。相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料不僅能夠有效防止相變材料泄露，提高系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，而且能通過調(diào)整微膠囊的結(jié)構(gòu)和成分，優(yōu)化其熱導(dǎo)性能和儲(chǔ)能效率。本文結(jié)合微膠囊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了相變材料的多功能化，更好地強(qiáng)化材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性等，在不同條件下凸顯熱響應(yīng)的特性，為開發(fā)高效、安全和環(huán)保的硝酸鹽基相變儲(chǔ)能系統(tǒng)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 材料準(zhǔn)備

本文針對(duì)硝酸鹽微膠囊相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料儲(chǔ)熱性能的分析需求，進(jìn)行測(cè)試材料的設(shè)定和部署。主要的測(cè)試材料為滴入苯乙烯、偶氮二異丁腈溶液和硝酸鹽原料，進(jìn)而設(shè)置所應(yīng)用的藥品和輔助材料，見表1。

完成對(duì)測(cè)試材料及輔助溶劑的設(shè)定后，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)定[1]。

1.2 基礎(chǔ)布置

硝酸鹽的溶解過程需要嚴(yán)格控制溶解條件。將硝酸鹽緩慢加入40mL去離子水中，邊加邊攪拌，保證形成均勻的硝酸鹽溶液。攪拌速度應(yīng)適中，以避免產(chǎn)生過多的氣泡，影響溶液均勻性[2]。溶解溫度控制在室溫下即可，注意避免陽光直射，導(dǎo)致溶液溫度升高。

在微膠囊壁材樣本溶液的配制中，將高分子聚合物緩慢加入15mL乙醇中，邊加邊攪拌，保證聚合物完全溶解[3]。在該過程中，乙醇的選擇應(yīng)考慮其揮發(fā)性適中，便于后續(xù)干燥處理。溶解溫度可以適當(dāng)提高，但是不應(yīng)超過聚合物的耐熱溫度，以免發(fā)生降解。

在干燥處理過程中，需要將制備好的硝酸鹽溶液和微膠囊壁材溶液進(jìn)行混合，采用噴霧干燥或真空干燥等方法去除溶劑。在噴霧干燥過程中，需要控制進(jìn)口溫度和出口溫度，保證溶劑完全去除且材料不被破壞。在真空干燥過程中，需要控制真空度和溫度，以達(dá)到去除溶劑的目的。干燥后的材料需要進(jìn)行篩分，得到粒徑均勻的測(cè)試樣品，篩分孔徑的選擇應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)需求確定。

將可控溫的電加熱爐或熱板提前預(yù)熱至設(shè)定溫度范圍（45℃～60℃），并保持穩(wěn)定。溫度傳感器的布置應(yīng)考慮微膠囊復(fù)合材料的分布，保證能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到不同位置的溫度變化[4]。同時(shí)，溫度傳感器需要定期校準(zhǔn)，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

選擇耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)低的材料作為絕熱層，例如石棉、陶瓷纖維等[5]。絕熱層的厚度根據(jù)試驗(yàn)需求確定，以保證保絕熱的穩(wěn)定且無安全隱患。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

硝酸鹽相變微膠囊的制備過程包括3個(gè)階段。

階段一，制備硝酸鹽溶液。選擇硝酸鈉作為相變核心材料，準(zhǔn)確稱取預(yù)定量的硝酸鈉，并溶解于適量的去離子水中，加熱并攪拌，以保證硝酸鈉完全溶解，形成均勻的硝酸鹽溶液[6]。選擇高分子聚合物作為壁材，準(zhǔn)確稱取預(yù)定量的高分子聚合物，并溶解于適宜的溶劑中，制備成壁材溶液。在乳化-交聯(lián)法的實(shí)施過程中，將硝酸鹽溶液作為水相，壁材溶液作為油相，利用高速攪拌或超聲波處理形成穩(wěn)定的乳液[7]。選擇高速攪拌的方式，并嚴(yán)格控制攪拌速度和時(shí)間，以保證乳液能夠均勻分散并保持穩(wěn)定。同時(shí)，在溶液中滴入適量的苯乙烯和偶氮二異丁腈溶液，將二者作為交聯(lián)劑和引發(fā)劑。在滴加過程中，邊滴邊加溫，并嚴(yán)格控制加溫和滴加速度，以保證交聯(lián)反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，并形成穩(wěn)定的微膠囊結(jié)構(gòu)。分3個(gè)階段記錄溫度差值，見表2。

在增溫過程中，將降溫度和溫差控制在該范圍內(nèi)，以45℃為初始溫度，當(dāng)溫度升至85℃時(shí)，需要測(cè)定可控的溫度差值，將其作為比較標(biāo)準(zhǔn)。在一般情況下，可控的溫度差需要控制在2～4℃。當(dāng)升溫至95℃以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熟化現(xiàn)象，并且聚合的時(shí)間降至85min～90min，形成的微膠囊粒徑均勻且壁材能緊密包裹相變材料，并同時(shí)得到白色的微膠囊球形顆粒。當(dāng)降溫至25℃時(shí)可以慢慢停止攪拌，過濾出料。靜置10min后，需要使用乙醇和蒸餾水各洗滌2次，自然風(fēng)干，完成對(duì)相變微膠囊的制備。在該基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行相變微膠囊復(fù)合材料的制作。

階段二，基于硝酸鹽相變微膠囊的制備情況，進(jìn)行相變微膠囊復(fù)合材料的制備處理。將苯乙烯單體與偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑，細(xì)致地進(jìn)行攪拌操作，保證反應(yīng)物混合均勻。在測(cè)試的溶液中通入氮?dú)?，形成惰性氣體環(huán)境。將此時(shí)的溶液進(jìn)行加溫處理，使其逐步升至85℃，在溫度條件下進(jìn)行靜置反應(yīng)35min～40min，其間嚴(yán)密監(jiān)控，保證單體轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定在7%～15%的理想范圍內(nèi)。進(jìn)而對(duì)測(cè)試材料中的微膠囊數(shù)量變化情況進(jìn)行研究。在當(dāng)前溶液中加入預(yù)先計(jì)量好的MCPCM（微膠囊化相變材料），持續(xù)攪拌約20min后，相變材料會(huì)在聚合物基體中均勻分散。需要注意的是，攪拌時(shí)間需要進(jìn)行周期性控制，見表3。

當(dāng)預(yù)聚混合物的制備達(dá)到預(yù)定階段，即停止加熱并讓其自然冷卻至35℃時(shí)，表明混合物已初步穩(wěn)定，此時(shí)應(yīng)適時(shí)終止攪拌。該步驟保證了混合物中的各組分能夠均勻分布且初步固化，為后續(xù)成型打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。進(jìn)而將精心處理過的聚合物緩緩導(dǎo)入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中。根據(jù)最終產(chǎn)品的形狀、尺寸和性能要求進(jìn)行模具的選擇與設(shè)計(jì)，以保證制品的精確度和一致性。在倒入聚合物的過程中，需要特別注意避免引入氣泡，避免影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能?？梢圆捎幂p敲模具或利用真空設(shè)備來有效排除氣泡，保證聚合物填充緊密且均勻。將裝滿預(yù)聚物的模具小心移入恒溫烘箱中。在40℃的溫和條件下，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)24h的進(jìn)一步聚合處理。該步驟是促使體系逐漸凝固定型的關(guān)鍵，控制溫度和時(shí)間，可以保證聚合物分子間充分交聯(lián)，形成穩(wěn)定且性能優(yōu)異的MCPCM復(fù)合材料。聚合過程完成后，將制品在烘箱中自然冷卻至室溫。該步驟有助于減少因溫度急劇變化而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而保護(hù)制品的完整性和性能。冷卻后，取出成型良好的MCPCM復(fù)合材料制品，進(jìn)行徹底清洗。清洗的目的是去除表面可能殘留的未固化聚合物、雜質(zhì)或其他污染物，以保證制品的純凈度和外觀質(zhì)量。最后采用適當(dāng)?shù)母稍锸侄螌⒅破窂氐状蹈?。干燥過程中需要注意控制溫度和濕度，以避免對(duì)制品造成不必要的損害。經(jīng)過這一系列精心處理，最終得到的是高品質(zhì)的MCPCM復(fù)合材料制品。測(cè)定分析微膠囊壁厚的變化情況，如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著溫度變化，微膠囊的壁厚呈現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)。微膠囊數(shù)量對(duì)熱傳導(dǎo)路徑的復(fù)雜性和熱傳導(dǎo)效率產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)微膠囊數(shù)量降低時(shí)，熱傳導(dǎo)路徑的復(fù)雜性相應(yīng)減少，表明熱量在材料中的傳遞路徑更直接和高效，從而提高了熱傳導(dǎo)效率。相反，當(dāng)微膠囊數(shù)量增加時(shí)，熱傳導(dǎo)路徑的復(fù)雜性也隨之增強(qiáng)。熱量在材料中需要繞過更多的微膠囊進(jìn)行傳遞，增加了傳遞的難度和阻力，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)效率降低。這種微膠囊數(shù)量與熱傳導(dǎo)效率間的反向變化關(guān)系進(jìn)一步說明了制備出的復(fù)合材料在熱傳導(dǎo)性能上的特點(diǎn)。

階段三，完成測(cè)試材料的制備后，進(jìn)行表征儲(chǔ)熱對(duì)比測(cè)試。需要進(jìn)行導(dǎo)熱率計(jì)算。預(yù)設(shè)當(dāng)前的導(dǎo)熱范圍，根據(jù)獲取數(shù)據(jù)，預(yù)先設(shè)定出基礎(chǔ)的導(dǎo)熱系數(shù)，將相變溫度控制在2W/（m4·K-1）以內(nèi)，取微膠囊的相變溫度變化的中間值。采用TC3000E型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，測(cè)定此時(shí)基礎(chǔ)的溫度為20℃，在預(yù)設(shè)的多個(gè)周期內(nèi)，先估算出初始導(dǎo)熱率，再根據(jù)該數(shù)值的變化情況和初始導(dǎo)熱率標(biāo)準(zhǔn)的變化，對(duì)微膠囊的儲(chǔ)熱情況進(jìn)行模糊分析。在不同階段的溫度狀態(tài)下，進(jìn)行MCPCM復(fù)合材料斷面形態(tài)比較，如圖2所示。

基于此，根據(jù)材料斷面的變化，調(diào)整溫度范圍，對(duì)測(cè)試儲(chǔ)熱材料進(jìn)行熱重對(duì)比，如圖3所示。此時(shí)，結(jié)合測(cè)試所用儲(chǔ)熱材料熱重剩余質(zhì)量的變化，利用設(shè)備來測(cè)定材料質(zhì)量的損失值。當(dāng)損失值達(dá)到預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)后，復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)玻璃化現(xiàn)象的轉(zhuǎn)換，此時(shí)基于熱重的實(shí)時(shí)變動(dòng)趨勢(shì)和溫度的層級(jí)增加情況，在可以轉(zhuǎn)換的范圍內(nèi)測(cè)算出最大溫度值，將其設(shè)定為儲(chǔ)熱測(cè)試的約束限制標(biāo)準(zhǔn)，在該溫度范圍內(nèi)對(duì)復(fù)合材料的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行比較。

采用特殊的方式增加硝酸鹽微膠囊的含量，在特定的溫度范圍內(nèi)，設(shè)定多個(gè)層級(jí)的相變溫度，此時(shí)可以在最大溫度值的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)計(jì)算出相變溫度均值差。不同的溫度數(shù)據(jù)反應(yīng)在不同的溫度狀態(tài)下，計(jì)算出各個(gè)周期儲(chǔ)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱率，并對(duì)最終的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和分析。根據(jù)上述測(cè)定的數(shù)據(jù)與信息，預(yù)設(shè)4個(gè)測(cè)試周期，最終結(jié)果比較見表4。

3 討論

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：復(fù)合材料的導(dǎo)熱率逐漸升高，呈正向變化趨勢(shì)，溫度越高，微膠囊數(shù)量越多，相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱率越強(qiáng)，說明復(fù)合材料儲(chǔ)熱性能越好；反之，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率逐漸降低，溫度越低，微膠囊數(shù)量減少，相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱率越弱，說明復(fù)合材料儲(chǔ)熱性能越差。

4 結(jié)語

本文研究了硝酸鹽微膠囊相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料儲(chǔ)熱性能。結(jié)合實(shí)際測(cè)定需求，設(shè)計(jì)了更靈活、多變的性能分析結(jié)構(gòu)。在不同的相變儲(chǔ)熱條件下，采用優(yōu)化微膠囊的制備工藝，制備出了具有良好熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)熱性能的復(fù)合材料。有效解決了硝酸鹽相變材料的液態(tài)泄露問題，顯著提高了復(fù)合材料熱導(dǎo)率和儲(chǔ)熱效率，說明當(dāng)前材料的具有實(shí)踐應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠推動(dòng)其在能源存儲(chǔ)和節(jié)能減排方面發(fā)揮更大作用，為實(shí)現(xiàn)全球能源可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)智慧和力量。

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