基于微流控技术制备新型建筑相变材料研究

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相变材料(PCM)是一种能够根据周围环境温度变化进行吸放热,从而改变自身温度的材料,在建筑应用方面,利用高分子聚合物将PCM进行封装制备成PCM微胶囊,与建筑材料混合,能有效减小耗能。本课题以传统PCM微胶囊的制备所面临的关键科学问题为研究背景,通过微流控技术制备了以OP18E为芯材,以HDDA为壳材的PCM微胶囊,探究了不同核壳比的PCM微胶囊的热物性参数和热力学性能,为解决建筑耗能提供理论依据。在理论研究方面,以共聚焦微流控通道中复合相液滴断裂为理论模型,根据复合相液滴断裂时的受力平衡,推导了复合相液滴核壳尺寸的理论公式,并通过验证该公式与实验结果具有良好的一致性。运用传热方式和热力学定律分析建筑相变材料的实际应用原理,以及利用差示扫描量热法测试得到相变点、热焓和比热容的理论。在实验方面,搭建PCM微胶囊实验平台,通过微流控实验装置制备了不同核壳比的PCM微胶囊。粒径分析表明,通过微流控技术能够制备三种不同核壳比的PCM微胶囊具有较高的单分散性,且尺寸可控。在传热特性方面,PCM微胶囊具有减小温度波动的能力,且随着核壳比的增加效果更加明显。DSC测试表明,PCM微胶囊具有良好储能储热性能,随着相变材料质量分数的增加,其相变点、热焓和比热容呈线性增长。相变储能效率计算表明,PCM微胶囊封装完好,且封装的OP18E的潜热能够完全释放和储存。在热稳定性方面,三种核壳比的PCM微胶囊能够减小室内温度波动,在经历多热循环依然具有良好的热稳定性。并且随着核壳比的增加,其热稳定性越好;随着圆管结构空腔厚度的增加,温度的波动逐渐减小。在数值模拟方面,通过COMSOL Multiphysics仿真软件对装载OP18E的圆管结构进行热循环的仿真模拟。结果表明,仿真结果与实验结果具有良好的一致性,且随着空腔厚度的增加,OP18E维持室内温度稳定的效果越明显。当外部温度变化速率下降,OP18E的温度波动变大,反之,则变小;同样,当外部温度波动范围变大,OP18E的温度波动也会变大,但OP18E依然具有良好的热稳定性能。
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