PCM相變材料微膠囊的熱性能表征

PCM相變材料的應(yīng)用-建筑

高儲(chǔ)熱容量

除了高穩(wěn)定性外，PCM微膠囊由于其高儲(chǔ)熱容量而越來(lái)越受歡迎。

差示掃描量熱法（DSC）用于分析純PCM和微膠囊的熱性能。

DSC熱圖由吸熱曲線和放熱曲線組成，其中包含熱特性的關(guān)鍵信息，如熔融和結(jié)晶過(guò)程的起始溫度和峰值溫度或DSC冷卻和加熱運(yùn)行的焓。

由于殼材料具有較低的潛熱儲(chǔ)存容量，PCM微膠囊的總熱容明顯低于純PCM。在外殼上實(shí)施隔熱、幾何約束或無(wú)成核劑都會(huì)導(dǎo)致過(guò)冷，即起始相變溫度的變化。過(guò)冷將導(dǎo)致更長(zhǎng)的熱放電時(shí)間，并對(duì)PCM微膠囊的整體熱性能產(chǎn)生顯著影響[122]。為了抑制這種現(xiàn)象，Wu等人將1-十四醇和對(duì)苯二甲酸乙二醇添加到油相中n-octadecane@polyureamicrocapsules作為成核劑[123]。然而，當(dāng)1-十四醇從8.3重量%增加到12.5重量%時(shí)，過(guò)冷度進(jìn)一步增加，并且包封到芯材料中的對(duì)苯二甲酸有助于促進(jìn)正十八烷三斜晶的形成。研究表明，對(duì)苯二甲酸對(duì)正十八烷的結(jié)晶有積極影響。Chen等人通過(guò)將烷基化石墨烯添加到芯材料中，成功地抑制了正十八烷/三聚氰胺甲醛微膠囊的過(guò)冷[124]。這是因?yàn)樘砑拥耐榛猎谝欢ǔ潭壬洗龠M(jìn)了芯材的結(jié)晶，增強(qiáng)了非均相核化和熱傳遞。

熱穩(wěn)定性

PCM微膠囊通常暴露于極端環(huán)境中，尤其是高溫，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的熱降解。

熱穩(wěn)定性用于描述CMS微膠囊的耐熱分解性。

熱重分析（TGA）用于測(cè)試熱穩(wěn)定性，方法是以很小的間隔將溫度升高一個(gè)非常穩(wěn)定的步驟，同時(shí)測(cè)量樣品的重量損失。

TGA曲線顯示重量比隨溫度變化。

Jiang等人研究了基于含納米氧化鋁（納米Al2O3）的對(duì)位蠟核和P（MMA-co-MA）殼的PCM微膠囊的熱性能[125]。芯材paraffin在159.88°C的起始溫度下降解，在200°C下保持約20.63重量%。230°C下幾乎沒(méi)有焦炭。P（MMA-co-MA）殼在342.3°C下也呈現(xiàn)一步降解，失重率很低，在450°C左右完全分解。當(dāng)將多氯聯(lián)苯包封在殼中時(shí)，它們表現(xiàn)出三步降解。第一階段是從150°C左右開(kāi)始，泄漏芯材從破損外殼中蒸發(fā)出來(lái)。第二階段歸因于微膠囊內(nèi)部的多氯聯(lián)苯在230℃左右完全蒸發(fā)。最后，在350℃左右，P（MMA-co-MA）殼發(fā)生裂解，產(chǎn)物徹底分解。第二階段起始溫度的升高表明了殼的保護(hù)作用，這增強(qiáng)了核心材料的熱穩(wěn)定性。

通過(guò)使PCM微膠囊經(jīng)受大量重復(fù)的相變循環(huán)，并在多次熔融和結(jié)晶循環(huán)后，改變儲(chǔ)熱能力（通過(guò)DSC）、熱穩(wěn)定性（通過(guò)TGA）、化學(xué)表征（通過(guò)FTIR（傅里葉變換紅外光譜技術(shù)的進(jìn)步）），定性分析熱可靠性，等等被檢測(cè)到。

Zhang等人對(duì)相變循環(huán)進(jìn)行了100圈掃描[101]。DSC熱譜圖中的所有曲線與第一個(gè)回路的一致性令人驚訝。在100次循環(huán)后，熔融峰、結(jié)晶峰和起始點(diǎn)保持穩(wěn)定，峰值溫度僅在0.5°C范圍內(nèi)顯示最小偏差。Liu等人研究了具有十二醇核和三聚氰胺甲醛（MF）樹(shù)脂殼的微膠囊的可靠性[126]。安永獲得了25、50、75和100次相變循環(huán)后MEPCM/GO CNT的DSCCurve，與第一次相比差異不大。其他著作[67127]也得出了類似的結(jié)論。比較兩種光譜發(fā)現(xiàn)，特征峰的頻率值沒(méi)有變化，這表明微膠囊的化學(xué)結(jié)構(gòu)不受熱循環(huán)的影響。

導(dǎo)熱性

在穩(wěn)態(tài)條件下，材料的導(dǎo)熱性定義為單位溫度梯度下通過(guò)單位橫截面積的熱流。較高的導(dǎo)熱率可以提供更快的熱傳遞速率，這對(duì)于許多應(yīng)用非常重要。通過(guò)增加導(dǎo)熱系數(shù)，可以提高能量?jī)?chǔ)存和釋放效率。由于微膠囊的尺寸較小，很難直接測(cè)量單個(gè)微膠囊的熱導(dǎo)率。

提出了計(jì)算單個(gè)微膠囊電導(dǎo)率的理論，其中(dc/dp)3?ρs/ρs+yρckp,kc,和Kw分別表示單個(gè)微膠囊、芯材料和殼材料的熱導(dǎo)率，Dp是微膠囊顆粒的直徑，Dc是芯的直徑。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，多微膠囊的導(dǎo)熱性能更為關(guān)鍵。在美國(guó)，熱導(dǎo)率通常在大體積微膠囊中進(jìn)行分析?？梢酝ㄟ^(guò)將微膠囊置于兩個(gè)板之間，加熱流過(guò)樣品來(lái)近似實(shí)現(xiàn)。通過(guò)建立軸向溫度梯度，基于熱平衡條件下熱流傳感器的熱輸出測(cè)量溫差。方程如下

其中θ是熱量，χ是導(dǎo)熱系數(shù)，Ais是表面ea，his是樣品的厚度，t1和t2是兩個(gè)表面的溫度。為了提高微膠囊的導(dǎo)熱性，研究人員通常直接在微膠囊的芯或殼中添加具有高導(dǎo)熱性的外部材料，如石墨、碳納米管和納米金屬。Li等人通過(guò)接枝硬脂酰（a）（b）（c）（d）改善了碳納米管與核心材料的相容性。

圖5：微膠囊的圖像：（a）表面光滑致密，有缺陷，（b）粗糙多孔，（c）殼厚度，以及（d）規(guī)則球形結(jié)構(gòu)。

將乙醇（SA）涂覆到碳納米管上，然后用三聚氰胺樹(shù)脂涂覆PCMS[130]。結(jié)果表明，碳納米管的加入改善了微膠囊的性能，微膠囊的熱導(dǎo)率提高了79.2%。Wang等人采用相同的方法獲得了具有不同高熱傳導(dǎo)率的對(duì)位/碳酸鈣微膠囊的熱導(dǎo)率[131]。對(duì)于不同濃度的石墨（FG）、膨脹石墨（EG）和石墨納米片（GNS），結(jié)果顯示熱導(dǎo)率顯著提高。當(dāng)相變復(fù)合材料含有20wt.%GNS時(shí)，它們可以形成穩(wěn)定且致密的熱導(dǎo)率網(wǎng)絡(luò)，熱導(dǎo)率為25.81Wm?1K?1，是純石蠟的70倍。Jiang等人[83]制備了微膠囊，其中對(duì)苯二甲酸乙二醇酯作為相變材料，聚甲基丙烯酸甲酯作為壁材料，然后將納米Al2O3嵌入壁材料[125]。單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的納米Al2O3微膠囊性能較好，其焓和熱導(dǎo)率為93.41 Jg?1和0.31 Wm?1K?1、分別。Sarier等人分別用脲醛樹(shù)脂涂覆正十八烷和正十六烷芯材，然后將還原的納米銀顆粒添加到壁材中，以制備PCMs微膠囊[132]。與純脲醛樹(shù)脂壁材微膠囊相比，由納米銀顆粒改性的微膠囊具有更高的導(dǎo)熱性。不同方法改性的微膠囊具有更好的導(dǎo)熱性，并改善了熱調(diào)節(jié)性能。