浅谈HDPE/石蜡/活性炭三元相变储能材料的制备及热性能研究论文
相变储能材料的研发旨在缓解传统能源的短缺问题，即利用材料相变过程的吸热、放热作用，调整、控制工作源或材料周围环境的温度，以减轻能源供求在时间和空间上的不匹配。相变材料的制备方法有很多种，如熔融共混法、吸附法、接枝共聚法、溶胶凝胶法等，而在实际研究过程中，可根据相变储能材料的不同来选取适当的制备方法。研究相变储能材料的关键在于捕捉材料的优点，克服材料的不足，从而在实际应用中最大化地利用材料的优点，并减少不必要的损失。
大部分相变材料通常仅有一个相变点，无法满足温度连续改变时的储能需求。本研究则利用具有不同相变温度的高密度聚乙烯(HDPE)和石蜡(相变温度分别为120和65℃ )，采用熔融共混法制备出了具有两个相变点的HDPE/石蜡/活性炭复合相变储能材料，并利用差示扫描量热仪(DSC)研究了不同HDPE/石蜡/活性炭复合相变储能材料的熔融过程，其中重点考察了该材料的相变温度和相变焓，从而为HDPE/石蜡相变储能材料的研究提供可靠的实验依据。
1 实验部分
1.1 原料
高密度聚乙烯(HDPE)，5000S，兰州化学工业公司;石蜡，市售;活性炭，化学纯，天津天达净化材料精细化工厂。
1.2 仪器与设备
真空烘箱，HJ-ZK45GW，上海精宏实验设备有限公司;差示扫描量热仪(DSC)，DSC1/200，瑞士梅特勒-托利多公司;模具，自制。
1.3 制备工艺流程
将石蜡升温至65℃后加入经干燥处理的活性炭(干燥12 h)，不断搅拌下继续加热至120~150℃，然后加入HDPE混合均匀，得到HDPE/石蜡/活性炭三元相变储能材料(其配比分别为9/9/2、7/11/2、5/13/2、3/15/2)。将上述相变储能材料在自制模具中冷却成型，制得测试样品。
1.4 测试与表征
宏观相变测试：选择几个特定温度，将HDPE/石蜡/活性炭复合相变储能材料样品恒温20 min，观察相变材料的形态变化，并用相机拍摄宏观相变的变化。DSC测试：采用差示扫描量热仪测试相变温度和相变焓，升温速率10℃/min，测试温度范围30~150℃。
2 结果与讨论
2.1 宏观相变测试
不同比例的HDPE/石蜡/活性炭复合相变储能材料(其配比分别为9/9/2、7/11/2、5/13/2和3/15/2)在不同温度下的宏观相变图,随着温度的升高以及石蜡含量的增加(HDPE含量相应降低)，石蜡的渗透变得越来越严重。这是由于HDPE是一种良好的潜热储能基体材料，该材料属于一种非极性热塑性树脂，以线型结构为主，支链短且少，相变温度为110℃左右，熔体黏度较大;石蜡则具有适合于蓄热应用的熔点，熔化潜热较大，是很好的.相变储能材料，其结构为十几到三十个碳原子的直链烷烃，相对分子质量较小;而活性炭是一种外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料，该材料中含有大量微孔，因而具有良好的吸附性。本研究利用了活性炭的高吸附性，使相变材料样品在超过石蜡熔点(65℃)时的流淌性降低，但活性炭对低分子石蜡的吸附有饱和值，随着石蜡含量的增加，活性炭的吸附能力相对降低，因而石蜡的渗透越来越严重。
2.2 DSC分析
DSC分析是在程序控温下测量样品与参比物的热流与温度的关系，然后通过曲线表现为吸热或放热的峰或基线的不连续偏移，是一种高效、快速、灵敏的研究物质物理变化和化学变化的分析测试手段。可分别以熔融峰温度和结晶峰温度来表示材料的熔融温度和结晶温度，相变焓(ΔH)可按照下式由仪器自动计算得出。式中，ΔH、ΔHs分别为样品和标样的熔融焓，kJ/kg;A、As分别为样品和标样的DSC曲线峰面积，mm2;W、Ws分别为样品和标样的质量，mg;T、Ts分别为样品和标样的y轴灵敏度，mW/mm;B、Bs分别为样品和标样的x轴灵敏度，mW/mm。
2.2.1 相变材料的相变焓
复合相变储能材料的DSC曲线上出现了3个明显的峰。其中，前两个峰分别为石蜡的固-固相变峰和固-液相变峰，对应的相变温度分别为40℃和65℃左右;后一个峰为HDPE的相变峰，对应的相变温度为120℃左右。复合相变材料与纯石蜡、纯HDPE具有类似的DSC曲线。这表明3种原料(HDPE、石蜡以及活性炭)的混合只是简单的物理结合，各组分的结晶行为没有受到破坏，所得到的材料为相变储能材料。
2.2.2 实际相变焓值与理论焓值的比较
不同比例HDPE/石蜡/活性炭复合相变材料中石蜡及HDPE的相变焓值及其对应的理论焓值(理论焓值=纯石蜡(或HDPE)的焓值×复合材料中石蜡(或HDPE)的质量分数)。复合相变材料中石蜡的实际焓值和理论焓值偏差不大，表明活性炭和HDPE的加入对复合相变材料中石蜡的相变焓值影响较小。这可能是由于石蜡是一种小分子的有机晶体材料，其结晶度较低，活性炭颗粒的引入对其结晶性影响不大;另外，HDPE对石蜡仅起到包覆作用，而在每一个HDPE包覆石蜡的微结构中，石蜡的结晶度未发生改变。此外，随着复合相变材料中HDPE含量的减少(石蜡的含量相应增加)，HDPE的实际焓值也随之减小，但仍明显高于对应的理论焓值。这可能是由于活性炭具有较强的吸附作用，随着HDPE含量的减少，活性炭与HDPE的比值相应增大，吸附作用增强，诱导熔融过程中自由运动的HDPE链段局部重新规整排列，即诱导二次结晶，进而使HDPE的熔融焓值高于相应的理论焓值。
3 结论
(1)随着温度的升高以及石蜡含量的增加，HDPE/石蜡/活性炭复合相变储能材料中石蜡的渗透变得越来越严重。
(2)复合相变材料中石蜡的实际焓值和理论焓值偏差不大，而HDPE的实际焓值却明显高于理论值。
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