十二酸-十八酸-十六醇三元共晶物/SiO2/MIL-101(Cr)相变控湿材料的制备及性能

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人体健康和舒适性与室内空气的温湿度紧密相关。主动式空调系统的制冷剂会破坏大气臭氧层,且空调运行消耗大量不可再生能源;而被动式建筑节能领域的相变控湿材料(PCHCMs)可自发地调节室内温湿度至人体舒适范围,且能实现太阳能的转化与储存,并降低能源消耗和二氧化碳排放,是理想的节能降耗建筑功能材料。针对现有室内空气温湿度调节技术中PCHCMs吸脱湿性能差及温湿度调控不精准等不足,本文以十二酸(LA)、十八酸(SA)、十六醇(HD)为原料,用亲水性气相二氧化硅(Si O2)作为多孔载体,制备了LA-SA-HD三元共晶相变材料(PCM)及其定形复合相变材料(CPCM);并以MIL-101(Cr)为控湿材料(HCM),CPCM做控湿组分,共同构筑LA-SA-HD/Si O2/MIL-101(Cr)新型PCHCM,综合分析其热物性、吸脱湿性能,并对其化学结构、形貌、晶相、孔结构进行表征。(1)采用熔融共混法制备了LA-SA-HD三元共晶物。探讨了不同原料配比下的三元混合物的相变特性。结果表明:含20 wt%SA的LA-SA二元共晶物表现出低共熔点,其相变温度为35.04°C,相变潜热为171.2 J/g。含30 wt%HD的LA-SA-HD可形成三元共晶PCM,其相变温度降至30.53°C,相变潜热升至196.46 J/g。探讨了气相Si O2添加量对三元共晶PCM相变特性和定形效果的影响;对获得的CPCM孔参数、微观形态、晶体结构、化学组成和热稳定性进行表征。结果显示Si O2添加可进一步降低三元共晶PCM的相变温度(24.88~26.28°C),含25 wt%Si O2的CPCM,不发生泄漏现象,展现出良好的定形行为,其相变温度为25.74°C,相变潜热为105.3 J/g。孔结构分析结果和SEM观察显示,三元共晶PCM通过氢键、表面张力和毛细管力均匀填充到Si O2三维网状结构中,显著降低了Si O2的比表面积和孔容,在宏观上定形CPCM表现为固-固相变。XRD和FT-IR谱表明三元共晶PCM与CPCM的特征衍射峰和光谱吸收峰位置一致,说明共晶物PCM与Si O2仅为物理共混。TG结果证实定形CPCM在100°C下具有优异热稳定性。(2)采用混合溶剂热法制备的MIL-101(Cr)作为湿控材料(HCM),定形CPCM作控温组分,通过物理共混法制备了不同HCM和CPCM配比的PCHCMs,研究HCM含量对PCHCMs相变特性和控湿性能的影响。结果显示:含50 wt%MIL-101(Cr)的PCHCM兼具优异的调温调湿性能,其相变温度为25.72°C,相变潜热为42.58 J/g,比表面积为517.9 m~2/g,孔容为0.316 cm~3/g,在25°C,60%RH时水蒸气饱和吸附量为0.279 g/g,湿缓冲值为0.00116 g/(g·%RH)。SEM、XRD和FT-IR结果同时表明MIL-101(Cr)与CPCM均匀分散并通过氢键相互缔合,仅为物理共混。TG及热湿循环实验结果证实PCHCM具有优异的热稳定性、可靠性及吸脱附稳定性。所有结果表明新型PCHCM在建筑节能及室内人体舒适性方面具有广泛的应用前景。
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