石蠟_膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的性能研究

1、石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的性能研究 3張正國(guó) , 龍 娜 , 方曉明(華南理工大學(xué) 傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 廣東 廣州 510640摘 要 : 以石蠟為相變材料 、 膨脹石墨為支撐結(jié)構(gòu) , 利用膨脹石墨的多孔吸附特性 , 制備出了石蠟含量 90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 的石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料 。 采用掃描電鏡 (SEM 、 偏光顯微鏡 (PM 、 X 射線衍射 (XRD 及差示掃描量熱分析 (DSC 對(duì)復(fù)合相變儲(chǔ)熱材 料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征 。結(jié)果表明 , 膨脹石墨吸 附石蠟后仍然保持了原來(lái)疏松多孔的蠕蟲(chóng)狀形態(tài) , 石 蠟被膨脹石墨微孔所吸附 , 在石蠟質(zhì)量含量為 9

2、0%時(shí) 仍保持定型特性 ; 復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料沒(méi)有形成新物質(zhì) , 其相變溫度與石蠟相似 , 相變焓與基于復(fù)合材料中石 蠟含量的相變焓計(jì)算值相當(dāng) 。關(guān)鍵詞 : 石蠟 ; 膨脹石墨 ; 儲(chǔ)熱材料中圖分類(lèi)號(hào) : T K02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :100129731(2009 08213132031 引 言、 廢熱景 14。 利用相變材料的固 2液相變潛熱來(lái)儲(chǔ)存熱能 的儲(chǔ)熱技術(shù) , 因具有儲(chǔ)能密度大 、 儲(chǔ) (放 熱過(guò)程近似等 溫 、 過(guò)程易控制等優(yōu)點(diǎn) , 而成為最具實(shí)際發(fā)展?jié)摿妥?重要的儲(chǔ)熱方式 5。 儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是高性能相 變儲(chǔ)熱材料 。 復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料旨在既克服單一的無(wú) 機(jī)物或有機(jī)物

3、相變儲(chǔ)熱材料存在的缺點(diǎn) , 又改善相變 材料的應(yīng)用效果乃至拓展其應(yīng)用范圍 , 是儲(chǔ)熱材料的 發(fā)展方向 6,7。Py. Xavier 等人 8率先研究了石蠟 /膨脹石墨復(fù)合 相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱性能 , 他們先將石墨置于模具內(nèi) 壓縮成正方體 , 然后吸附石蠟制備復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料 , 并測(cè)定了不同壓縮密度下石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ) 熱材料的導(dǎo)熱系數(shù) 。結(jié)果表明 , 復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱 系數(shù)在 470W/(m K 范圍內(nèi) , 遠(yuǎn)大于石蠟的導(dǎo)熱 系數(shù) 0. 24W/(m K 。 論文作者 9,10直接將膨脹石墨 吸附石蠟 , 制備出了粉末狀的石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變 儲(chǔ)熱材料 , 并對(duì)石蠟 /膨脹石墨

4、復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的 儲(chǔ) 、 放熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , 當(dāng)石蠟 質(zhì)量含量為 85. 6%時(shí) , 復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ) 、 放熱 時(shí)間分別比石蠟縮短了 27. 4%和 56. 4%, 且復(fù)合相變 儲(chǔ)熱材料具有很好的循環(huán)性能熱穩(wěn)定性 。隨后 , A. Sari 和 A. Karaipekli 11對(duì)不同膨脹石墨質(zhì)量含量下粉 末狀石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn) 行了測(cè)量 。 結(jié)果表明 , 石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 22W/(m K , 當(dāng)膨脹石墨的質(zhì)量含量為 2%、 4%、 7%和 10%時(shí) , 對(duì)應(yīng)的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 0. 40、 0. 52、 0.

5、68和 0. 82W/(m K 。此外 , A. Karaipekli 等人 12還對(duì)硬脂酸 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo) 熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量 。結(jié)果表明 , 硬脂酸的導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 30W/(m K , 10%時(shí) , 復(fù)合 相 變 熱 材 料 比 硬 脂 酸 增 加 了 6%。, /膨脹石墨復(fù)合相儲(chǔ) 。本文則是在前期工作基礎(chǔ)上通 過(guò)多種分析 、 測(cè)試手段對(duì)石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱 材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行系統(tǒng)研究 。2 實(shí) 驗(yàn)2. 1 主要原料上海華申康復(fù)器材廠生產(chǎn)的切片石蠟 , 熔點(diǎn) 58 60 。 青島石墨股份有限公司生產(chǎn)的可膨脹石墨 , 膨 脹率 300ml/g , 粒度 50目

6、 , 含硫量 2. 00×10-4。2. 2 主要儀器ASA P400自 動(dòng) 吸 附 儀 、 J A1003型 電 子 天 平 、 Scanning Elect ron Microscope XL30FEG 掃描電鏡 、 Axi01ab Polarizing Microscope 偏光顯微鏡 、 DSC2910差示掃描量熱儀 、 D/max 23A 型 X 射線衍射儀 。2. 3 實(shí)驗(yàn)方法先將可膨脹石墨粉置于 60 真空干燥箱中干燥 10h , 然后每次取 4. 05. 0g 干燥的可膨脹石墨粉置于 不銹鋼容器中 , 將容器置于 800 高溫爐中加熱膨脹 60s , 即得到可膨脹石墨

7、 。把切片石蠟與膨脹石墨按不同的質(zhì)量比混合倒入 1000ml 燒杯 , 將燒杯置于 80 的恒溫水浴鍋下共混 , 在攪拌下吸附 1h 左右 , 制得復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料 。3基金項(xiàng)目 :教 育 部 新 世 紀(jì) 優(yōu) 秀 人 才 支 持 計(jì) 劃 資 助 項(xiàng) 目 (NCET 20720312 ; 廣 東 省 科 技 計(jì) 劃 資 助 項(xiàng) 目 (2005B10501004, 2007B010600040收到初稿日期 :2008212208收到修改稿日期 :2009203203通訊作者 :張正國(guó)作者簡(jiǎn)介 :張正國(guó) (1968- , 男 , 湖北鄂州人 , 教授 , 博士生導(dǎo)師 , 主要從事強(qiáng)化傳熱與儲(chǔ)熱研究

8、。 3 結(jié)果分析與討論3. 1 膨脹石墨的孔結(jié)構(gòu)分析利用 Micromet rics 公司的 ASA P400自動(dòng)吸附儀 測(cè)試了石墨經(jīng)高溫膨化后制備得的膨脹石墨的孔結(jié)構(gòu) 分布 , 如圖 1。從圖 1來(lái)看 , 膨脹石墨的孔徑分布較 寬 , 以易吸附的中 、 大孔為主體 , 是良好的吸附有機(jī)物 的基體。 圖 1 膨脹石墨的孔徑分布Fig 1Apert ure dist ributio n of expanded grap hite 3. 2 膨脹石墨及石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的掃描電鏡圖 2/為 2000倍 , 2, 膨脹石墨 , 石蠟含量 為 90%時(shí) , 膨脹石墨吸附量基本達(dá)到飽和 ,

9、 內(nèi)部充滿 了石蠟 , 但在膨脹石墨的表面沒(méi)有出現(xiàn)塊狀或條狀石 蠟團(tuán)。 圖 2 膨脹石墨及石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的 SEM 圖 Fig 2SEM p hotograp hs of t he expanded grap hite andparaffin/expanded grap hite composite p hase change material 3. 3 石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的定型特性復(fù)合相變材料的定型特性是指在發(fā)生相變過(guò)程 中 , 仍然保持原來(lái)的固體狀態(tài) , 沒(méi)有液體的流動(dòng)和滲 出 。 圖 3為石蠟質(zhì)量含量為 90%的石蠟 /膨脹石墨復(fù) 合相變儲(chǔ)熱材料的偏光顯微

10、照片 。從圖 3中可以看出 , 在發(fā)生相變過(guò)程中 (70, 石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相 變材料表面沒(méi)有石蠟偏光現(xiàn)象的出現(xiàn) , 表明沒(méi)有石蠟 泄漏出來(lái) , 而從圖 4可以看出 , 當(dāng)石蠟質(zhì)量含量為95%時(shí) , 在發(fā)生相變過(guò)程中 , 有石蠟滲出 , 證明在 90%質(zhì)量含量下石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變材料具有良好的 定型特性 , 文獻(xiàn) 11通過(guò)直接觀察也認(rèn)為在石蠟質(zhì)量 含量為 90%條件下仍能保持定型特性。3. 4 X 射線衍射分析圖 5為膨脹石墨 、 石蠟和石蠟含量為 90%的膨脹 石墨 /石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的 XRD 圖譜 。 從圖 5中 可以看出 , 膨脹石墨只有一個(gè)強(qiáng)峰 , 石蠟有 3個(gè)強(qiáng)峰 ,

11、 復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料出現(xiàn)了 4個(gè)強(qiáng)峰 , 吸收強(qiáng)度與純物質(zhì)相當(dāng) ,4個(gè)峰和各自對(duì)應(yīng)的純物質(zhì)的 2角基本沒(méi)有 變化 , 可見(jiàn)石蠟與膨脹石墨復(fù)合沒(méi)有形成新物質(zhì)。圖 5 膨脹石墨 、 石蠟及其復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的 XRD圖譜Fig 5XRD spect ra of expanded grap hite , paraffin andcompo site p hase change material3. 5 相變儲(chǔ)熱材料的差示掃描量熱分析圖 6為石蠟和石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料 的 DSC 曲線 , 由于本實(shí)驗(yàn)選用的切片石蠟是多脂肪烴 類(lèi)的混合物 , 在 60 左右存在著固 2液相變外 , 在 40

12、左右還有一個(gè)固 2固相變 , 吸熱和放熱過(guò)程中的焓值相 當(dāng) , 分別為 188. 15和 183. 71J /g 。 石蠟 /膨脹石墨復(fù)合 相變儲(chǔ)熱材料的相變溫度與石蠟相近 , 相變焓 166. 14J /g , 這與 90%石蠟質(zhì)量含量的對(duì)應(yīng)值相當(dāng)。 圖 6 石蠟及石蠟 /膨脹石墨復(fù)合相變材料的 DSC 圖 Fig 6DSC curves of t he paraffin and paraffin/expand 2ed grap hite compo site p hase change material4 結(jié) 論(1 制備出石蠟 /;(2 %時(shí) , 復(fù)合相變儲(chǔ)熱 , ;(3 石蠟與膨脹石墨

13、復(fù)合沒(méi)有形成新物質(zhì) ; (4 復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的相變溫度與石蠟相近 , 相變焓與對(duì)應(yīng)石蠟質(zhì)量含量下的計(jì)算值相當(dāng) 。 參考文獻(xiàn) :1 Mettawee Eman 2Bellah S , Assassa Ghazy M R. J.En 2ergy , 2006, 31(14 :262222632. 2 Veer T V , Buddhi D. J.Renewable and Sustainable En 2ergy Reviews , 2007, 11(6 :114621166.3 Nayak K C , Saha S K , Srinivasan K ,et al. J.Interna 2tio

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17、 niversity of Technology , Guangzhou 510640,China Abstract :Compo site paraffin/expanded grap hite p hase 2change material (PCM containing 90%(mass fraction of paraffin were p repared by using paraffin as a latent heat 2storage material and expanded grap hite as a support 2ing matrix. The st ruct ur

18、e and t hermal properties of PCM were t hen characterized by means of SEM ,PM , XRD and DSC. It is shown t hat paraffin can be uniformly absorbed into t he pore network of expanded grap hite , t hat expanded grap hite remains it s vermiform st ruct ure in PCM , and t here is not new substance formed in composite PCM , t hat t he p hase 2change temperat ur