聚乙二醇/壳聚糖基复合相变材料的制备及性能优化研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yanlj007
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聚乙二醇(PEG)是一种性能优异的有机固-液相变材料,具有无毒、化学稳定性好、储热密度高等优点。在实际应用中,通常需要对PEG做封装处理以解决其在固-液相变过程中的熔化泄漏问题。壳聚糖(CS)是一种天然高分子材料,含有丰富的官能团、具有长链结构,可用作相变材料的封装材料。为了提高复合相变材料的储热性能,挖掘CS作为PEG封装基体的潜力,并解决PEG的泄漏及导热能力低的问题,本工作系统研究了影响聚乙二醇/壳聚糖固-固相变材料(PEG-CS)储热性能的因素;首次开发出基于聚乙烯醇/壳聚糖双网络(PVA/CS)的储热增强体系;通过添加碳材料提高了体系的导热性能和力学性能,制备了拥有良好孔结构的、具有相变功能的导热气凝胶;用其封装PEG,获得了综合性能优异的新型复合相变材料。本工作为CS和PEG在复合储热材料领域的应用提供了新思路和实验支撑。具体研究内容如下:(1)将PEG改性、制备了醛基化PEG(OHC-PEG)和氨基化PEG(H2N-PEG);将改性后的PEG与CS进行化学交联,制备了两种聚乙二醇/壳聚糖固-固相变材料(C-PEG-CS和N-PEG-CS)。详细探讨了影响C-PEG-CS储热性能、热稳定性和形状稳定性等性能的因素,结果表明:改变PEG的分子量可调节C-PEG-CS的相变温度范围和相变焓;增加OHC-PEG与CS的反应质量比,可提高C-PEG-CS的储热效率;增加OHC-PEG与CS的反应浓度可形成有利于封装PEG的孔结构。此外,利用H2N-PEG合成了N-PEG-CS固-固相变材料。N-PEG-CS的储热效率可达78.1%,并有较好的形状稳定性。(2)为了进一步提升C-PEG-CS和N-PEG-CS的储热性能,设计了聚乙烯醇/壳聚糖双网络(PVA/CS),制备了两种性能优异的相变材料(PC和PN),研究了PVA的质量分数对PC和PN储热性能的影响。结果表明:提高PVA/CS中PVA的质量分数,将加剧体系对PEG的物理束缚作用进而提高PC的储热性能;与C-PEG-CS相比,PC的储热效率提升了7.6%。PVA的加入改善了N-PEG-CS的储热性能、热稳定性和形状稳定性。与N-PEG-CS相比,PN的储热效率增加了11.9%;此外,PC相变气凝胶基体在封装PEG后得到了储热效率近100%的PEG@PC复合相变储热材料。(3)具有相变功能的气凝胶可作为封装PEG的多孔载体。为进一步优化其导热性能及力学性能,分别在C-PEG-CS体系和PVA/CS双网络中加入碳纳米管(MWCNTs)和氧化石墨烯(GO),得到了CC和CG系列气凝胶,以及PCC和PCG气凝胶。将气凝胶CC和CG分别真空浸渍PEG,获得了PEG@CC4和PEG@CG1两种综合性能优异的复合相变储热材料。研究表明:CC和CG气凝胶在60%的应变下,压缩强度可分别达到2.952 MPa和0.678 MPa;PEG@CC4的储热效率为91.0%;由于具有利于浸渍PEG的孔结构,得到的PEG@CG1的储热效率可达99.2%。PEG@CC4和PEG@CG1的导热系数分别达到纯PEG的2.82倍和1.15倍,具有良好的导热性能。由于碳材料的团聚,碳材料在PVA/CS双网络的加入未能达到预期提升导热性能和力学性能的效果。
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