蒙托石基相变储能材料的制备与表征文献综述

2020-04-20 13:03:29

1．目的及意义

1.1 相变储能材料介绍

在全球能源危机日益严重和建筑能耗迅速增加的今天，相变储能技术作为一种提高能源利用率的有效手段，在电力的“削峰填谷”、太阳能利用与余热回收、建筑采暖与空调节能等领域具有广阔的应用前景且正在快速发展。该技术的关键就是研究和开发相变潜热大，热性能稳定和性价比高的相变材料。

相变材料((phase change materials PCMs),又称为潜热储能材料(latent thermal energy storage materials)是指随温度变化而形态(相)改变并能吸收或释放大量的潜热的物质，在相变过程中保持温度恒定。利用相变材料的潜热储能是一种有效储存热能的方式，具有储能密度高、热效率高、储能过程恒温等优点。相变材料储能的应用研究已广泛涉及到热泵、航天器控温工程、太阳能利用、建筑节能、交通运输、工业余能回收等领域。

1.2相变储能材料的分类

按材料的化学成分划分，相变储能材料一般可分为无机相变储能材料、有机相变储能材料和复合相变储能材料。

1）无机相变储能材料主要有金属盐水合物、碱水合物、活性白土及矿棉等，其相变机理为：材料受热时脱去结合水，吸收热量；反之，吸收水分，放出热量。

2）有机相变储能材料包括羧酸、石蜡、多元醇等，是利用晶型之间的转变和高分子支链在不同温度下的转变而吸热或放热。

3）复合相变储能材料主要是指有机和无机共熔相变材料复合物，是利用网络状物质为基质以维持材料的形状、力学性能，而作为相变材料的物质嵌在网络结构基质中，通过相变吸收或释放能量。

表1 有机与无机相变储能材料的比较

	有机相变储能材料	无机相变储能材料
优点	无腐蚀性、过冷程度小、热性能稳定、化学性能稳定	相变焓较高
缺点	相变焓较低、热传导率低、易燃	过冷程度明显、具有腐蚀性易发生相分离、热性能不稳定

为了既能保留无机相变储能材料和有机相变储能材料的优点，又能有效克服其缺点，国内外复合相变储能材料的研究逐渐发展起来。

因此决定本实验研究复合相变储能材料。

1.3本实验研究对象

石蜡作为一种无过冷、相变潜热较大的相变材料，适合在较大温度范围内作为潜热储能材料。石蜡通常是含有多种烃类的混合物，含有较高比例的直链正构烷烃CH₃-（CH₂)_n-CH₃或支链很少的烷烃。石蜡无腐蚀，安全可靠且价格便宜，在500℃以下表现出化学惰性和稳定性，相变时体积变化很小，熔化时蒸汽压很低，正是这些优点，蓄热用石蜡通常有很长的冻融周期。石蜡具有价格低廉、一致熔融、自我成核的优点，但是由于石蜡相变属于固液相变，相变时存在液态石蜡渗漏的缺点。

膨润土的主要矿物成分是蒙脱石(Montmorillonite)，其分子式是(Na,Ca)0.33(Al,Mg)₂[Si₄O₁₀](OH)₂·nH₂O，属2:1型层状铝硅酸盐矿物，单位晶胞是由两层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片组成。若将将膨润土有机化制成有机膨润土，则可以利用有机膨润土的纳米层间结构及离子交换特性，制备出插层型蒙脱石基有机物复合材料。插层法能减少固液类相变材料相变时渗漏问题，制备方法有“液相插层法”和“熔融插层法”，其中液相法反应时间长、工艺复杂，熔融法则相对简单。

因此本实验采用熔融插层法制备石蜡/有机蒙脱石复合相变储能材料。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1 基本内容

材料制备：用有机膨润土与固体切片石蜡及其他辅助材料制备石蜡/有机蒙脱石复合相变储能材料。

材料表征： X射线衍射XRD分析样品物相，扫描电子显微镜SEM观察样品形貌，差示扫描量热仪DSC测定样品热性能。

2.2 研究目标

1)验证采用熔融插层法有效减少石蜡/有机蒙脱石复合相变储能材料中石蜡的渗透问题；

2)用结构分析与性能表征技术，分析石蜡/有机蒙脱石复合相变储能材料的结构与储能性能的关系；

3) 进一步研究石蜡/有机蒙脱石复合相变储能材料的储能机理。

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