相同支撑基质对十八烷和石蜡相变材料热性能及形状稳定性的影响

《Journal of Energy Storage》：Effect of identical supporting matrix on thermal performance and shape stability of octadecane and paraffin wax phase change material

本研究开发了基于十八烷（OD）和石蜡（PW）的复合相变材料，采用PPY与EG的1:1混合支撑基质，通过直接熔混合法合成。通过泄漏测试、XRD、FTIR、FE-SEM、DSC、TGA及guarded hot plate 方法分析表明，OD复合物OEP-2和PW复合物PEP-1.5分别以20wt%和15wt%支撑材料实现最佳形状稳定性，同时热导率分别提升9.94倍和7.42倍，表现出良好的热稳定性和应用潜力。

　　本文研究了基于十八烷（OD）和石蜡（PW）的新型复合相变材料（PCMs）的开发，旨在缓解能源需求与供应之间的差距。研究通过将聚吡咯（PPY）和膨胀石墨（EG）按1:1的重量比例作为支撑基质，结合不同的重量百分比，制备了具有不同性能的复合材料。通过对这些复合材料的性能测试和分析，研究揭示了它们在形状稳定性、热导率、热稳定性以及相变特性方面的表现，为实际应用提供了有价值的参考。

相变材料因其在储存和释放热量时具有较高的能量密度和较窄的温度范围，成为热能储存领域的理想选择。然而，有机相变材料普遍存在的问题包括形状不稳定性和较低的热导率，这在一定程度上限制了它们的应用范围。为了解决这些问题，研究者们尝试了多种方法，如共价键合、核心-壳封装、物理吸附以及弱分子间相互作用等。其中，物理吸附被认为是一种简单且低成本的方法，能够通过支撑材料提供的表面张力和毛细作用力，有效防止相变材料在相变过程中发生泄漏。

为了提高形状稳定性，通常选用具有高孔隙率和大比表面积的材料作为支撑基质。这类材料可以是二维的，如石墨烯层、石墨片、氮化硼纳米片，也可以是三维的，如膨胀珍珠岩、黏土、金属泡沫、膨胀石墨以及导电多孔聚合物等。在这些支撑材料中，聚吡咯和膨胀石墨的结合被认为是一种具有潜力的方案。聚吡咯是一种带正电的杂环导电聚合物，具有轻质和高比表面积的特性，能够引入较高的表面张力和毛细作用力，从而有效防止核心相变材料的泄漏。而膨胀石墨则是一种具有层状结构的材料，通过引入插层剂（如硫酸）可以扩大层间间距，使其成为一种高热导率的支撑材料，能够显著提升复合材料的热传导性能。

在本研究中，基于前人研究的基础上，进一步引入了膨胀石墨作为支撑材料，与聚吡咯结合，形成了一种新型的复合支撑基质。该基质不仅能够提供良好的形状稳定性，还能显著提高复合材料的热导率。通过直接熔融混合法，研究者们制备了不同重量比例的复合相变材料，并对它们进行了系统的性能评估。评估方法包括泄漏测试、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）以及守恒热板法等。这些方法分别用于分析复合材料的结构、组成、形态、相变特性、热稳定性以及热导率。

泄漏测试是评估形状稳定性的关键手段。对于基于OD的复合材料，测试在45°C下进行，而对于基于PW的复合材料，则在70°C下进行。测试结果显示，20%重量比例的支撑材料（OEP-2）在OD基复合材料中表现出优异的形状稳定性，而15%重量比例的支撑材料（PEP-1.5）在PW基复合材料中也显示出良好的形状稳定性。这表明，适当的支撑材料比例可以在不牺牲形状稳定性的情况下，提高复合材料的热导率。

XRD和FTIR分析用于确认复合材料的形成。XRD结果表明，PPY和EG之间的物理相互作用成功地促进了复合材料的形成，而FTIR分析则进一步支持了这一结论。通过这些分析，可以观察到复合材料中各组分之间的相互作用，以及它们如何影响材料的微观结构和化学性质。

DSC测试用于评估复合材料的相变特性。结果显示，OEP-2和PEP-1.5复合材料的潜热值分别比纯OD和PW降低了28%和24%。这一现象可能与复合材料中PCM的重量比例较低有关。尽管潜热值有所下降，但复合材料的热导率得到了显著提升。OEP-2和PEP-1.5的热导率分别比纯OD和PW提高了9.94倍和7.42倍。这一提升对于提高热能储存和释放的效率具有重要意义，尤其是在需要快速热响应的应用场景中。

TGA测试用于评估复合材料的热稳定性。结果显示，OEP-2和PEP-1.5复合材料在高温下的热稳定性均高于其操作温度范围。这意味着这些复合材料在实际应用中能够承受较高的温度，不易发生分解或失效，从而保证了其在热能储存系统中的可靠性。

此外，研究还通过BET分析对PPY和EG的孔体积和比表面积进行了评估。BET分析结果显示，这两种材料均具有较高的比表面积和孔体积，这为它们在物理吸附机制中的应用提供了理论依据。PPY和EG的孔隙结构能够有效增强其对相变材料的吸附能力，从而防止在相变过程中发生泄漏。

在与先前研究的比较中，本文提出的OEP-2和PEP-1.5复合材料在潜热值和热导率方面表现出更优的性能。这些材料不仅在形状稳定性方面表现出色，还在热导率的提升上取得了显著成果，使其在实际应用中更具优势。这种复合材料的开发为解决有机相变材料在形状稳定性和热导率方面的不足提供了新的思路和方法。

本文的研究结果表明，基于OD和PW的复合相变材料在形状稳定性和热导率方面均表现出良好的性能，能够满足不同应用场景的需求。对于OD基复合材料，其较低的熔点使其适用于建筑热管理、纺织业等领域；而对于PW基复合材料，其较高的熔点使其适用于太阳能热水器、太阳能炊具等高温应用场景。因此，这两种复合材料在各自的领域中均具有广泛的应用前景。

综上所述，本文通过引入聚吡咯和膨胀石墨作为支撑材料，成功开发了具有优异形状稳定性和热导率的复合相变材料。这些材料不仅克服了传统有机相变材料的局限性，还为未来的热能储存技术提供了新的方向。研究结果表明，通过合理选择支撑材料的比例和类型，可以有效提升复合相变材料的性能，使其在实际应用中更具竞争力。