石蜡_膨胀石墨复合相变储热材料的性能研究

1、石蜡 /膨胀石墨复合相变储热材料的性能研究 3张正国 , 龙 娜 , 方晓明(华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室 , 广东 广州 510640摘 要 : 以石蜡为相变材料 、 膨胀石墨为支撑结构 , 利用膨胀石墨的多孔吸附特性 , 制备出了石蜡含量 90%(质量分数 的石蜡 /膨胀石墨复合相变储热材料 。 采用扫描电镜 (SEM 、 偏光显微镜 (PM 、 X 射线衍射 (XRD 及差示扫描量热分析 (DSC 对复合相变储热材 料的结构和性能进行了表征 。结果表明 , 膨胀石墨吸 附石蜡后仍然保持了原来疏松多孔的蠕虫状形态 , 石 蜡被膨胀石墨微孔所吸附 , 在石蜡质量含量为 9

2、0%时 仍保持定型特性 ; 复合相变储热材料没有形成新物质 , 其相变温度与石蜡相似 , 相变焓与基于复合材料中石 蜡含量的相变焓计算值相当 。关键词 : 石蜡 ; 膨胀石墨 ; 储热材料中图分类号 : T K02文献标识码 :A文章编号 :100129731(2009 08213132031 引 言、 废热景 14。 利用相变材料的固 2液相变潜热来储存热能 的储热技术 , 因具有储能密度大 、 储 (放 热过程近似等 温 、 过程易控制等优点 , 而成为最具实际发展潜力和最 重要的储热方式 5。 储热技术应用的关键是高性能相 变储热材料 。 复合相变储热材料旨在既克服单一的无 机物或有机物

3、相变储热材料存在的缺点 , 又改善相变 材料的应用效果乃至拓展其应用范围 , 是储热材料的 发展方向 6,7。Py. Xavier 等人 8率先研究了石蜡 /膨胀石墨复合 相变储热材料的导热性能 , 他们先将石墨置于模具内 压缩成正方体 , 然后吸附石蜡制备复合相变储热材料 , 并测定了不同压缩密度下石蜡 /膨胀石墨复合相变储 热材料的导热系数 。结果表明 , 复合相变材料的导热 系数在 470W/(m K 范围内 , 远大于石蜡的导热 系数 0. 24W/(m K 。 论文作者 9,10直接将膨胀石墨 吸附石蜡 , 制备出了粉末状的石蜡 /膨胀石墨复合相变 储热材料 , 并对石蜡 /膨胀石墨

4、复合相变储热材料的 储 、 放热性能进行了实验研究 。 实验结果表明 , 当石蜡 质量含量为 85. 6%时 , 复合相变储热材料的储 、 放热 时间分别比石蜡缩短了 27. 4%和 56. 4%, 且复合相变 储热材料具有很好的循环性能热稳定性 。随后 , A. Sari 和 A. Karaipekli 11对不同膨胀石墨质量含量下粉 末状石蜡 /膨胀石墨复合相变储热材料的导热系数进 行了测量 。 结果表明 , 石蜡的导热系数为 0. 22W/(m K , 当膨胀石墨的质量含量为 2%、 4%、 7%和 10%时 , 对应的复合相变储热材料的导热系数分别为 0. 40、 0. 52、 0.

5、68和 0. 82W/(m K 。此外 , A. Karaipekli 等人 12还对硬脂酸 /膨胀石墨复合相变储热材料的导 热系数进行了测量 。结果表明 , 硬脂酸的导热系数为 0. 30W/(m K , 10%时 , 复合 相 变 热 材 料 比 硬 脂 酸 增 加 了 6%。, /膨胀石墨复合相储 。本文则是在前期工作基础上通 过多种分析 、 测试手段对石蜡 /膨胀石墨复合相变储热 材料的微观结构及性能进行系统研究 。2 实 验2. 1 主要原料上海华申康复器材厂生产的切片石蜡 , 熔点 58 60 。 青岛石墨股份有限公司生产的可膨胀石墨 , 膨 胀率 300ml/g , 粒度 50目

6、 , 含硫量 2. 00×10-4。2. 2 主要仪器ASA P400自 动 吸 附 仪 、 J A1003型 电 子 天 平 、 Scanning Elect ron Microscope XL30FEG 扫描电镜 、 Axi01ab Polarizing Microscope 偏光显微镜 、 DSC2910差示扫描量热仪 、 D/max 23A 型 X 射线衍射仪 。2. 3 实验方法先将可膨胀石墨粉置于 60 真空干燥箱中干燥 10h , 然后每次取 4. 05. 0g 干燥的可膨胀石墨粉置于 不锈钢容器中 , 将容器置于 800 高温炉中加热膨胀 60s , 即得到可膨胀石墨

7、 。把切片石蜡与膨胀石墨按不同的质量比混合倒入 1000ml 烧杯 , 将烧杯置于 80 的恒温水浴锅下共混 , 在搅拌下吸附 1h 左右 , 制得复合相变储热材料 。3基金项目 :教 育 部 新 世 纪 优 秀 人 才 支 持 计 划 资 助 项 目 (NCET 20720312 ; 广 东 省 科 技 计 划 资 助 项 目 (2005B10501004, 2007B010600040收到初稿日期 :2008212208收到修改稿日期 :2009203203通讯作者 :张正国作者简介 :张正国 (1968- , 男 , 湖北鄂州人 , 教授 , 博士生导师 , 主要从事强化传热与储热研究

8、。 3 结果分析与讨论3. 1 膨胀石墨的孔结构分析利用 Micromet rics 公司的 ASA P400自动吸附仪 测试了石墨经高温膨化后制备得的膨胀石墨的孔结构 分布 , 如图 1。从图 1来看 , 膨胀石墨的孔径分布较 宽 , 以易吸附的中 、 大孔为主体 , 是良好的吸附有机物 的基体。 图 1 膨胀石墨的孔径分布Fig 1Apert ure dist ributio n of expanded grap hite 3. 2 膨胀石墨及石蜡 /膨胀石墨复合相变储热材料的扫描电镜图 2/为 2000倍 , 2, 膨胀石墨 , 石蜡含量 为 90%时 , 膨胀石墨吸附量基本达到饱和 ,

9、 内部充满 了石蜡 , 但在膨胀石墨的表面没有出现块状或条状石 蜡团。 图 2 膨胀石墨及石蜡 /膨胀石墨复合相变储热材料的 SEM 图 Fig 2SEM p hotograp hs of t he expanded grap hite andparaffin/expanded grap hite composite p hase change material 3. 3 石蜡 /膨胀石墨复合相变储热材料的定型特性复合相变材料的定型特性是指在发生相变过程 中 , 仍然保持原来的固体状态 , 没有液体的流动和渗 出 。 图 3为石蜡质量含量为 90%的石蜡 /膨胀石墨复 合相变储热材料的偏光显微

10、照片 。从图 3中可以看出 , 在发生相变过程中 (70, 石蜡 /膨胀石墨复合相 变材料表面没有石蜡偏光现象的出现 , 表明没有石蜡 泄漏出来 , 而从图 4可以看出 , 当石蜡质量含量为95%时 , 在发生相变过程中 , 有石蜡渗出 , 证明在 90%质量含量下石蜡 /膨胀石墨复合相变材料具有良好的 定型特性 , 文献 11通过直接观察也认为在石蜡质量 含量为 90%条件下仍能保持定型特性。3. 4 X 射线衍射分析图 5为膨胀石墨 、 石蜡和石蜡含量为 90%的膨胀 石墨 /石蜡复合相变储热材料的 XRD 图谱 。 从图 5中 可以看出 , 膨胀石墨只有一个强峰 , 石蜡有 3个强峰 ,

11、 复合相变储热材料出现了 4个强峰 , 吸收强度与纯物质相当 ,4个峰和各自对应的纯物质的 2角基本没有 变化 , 可见石蜡与膨胀石墨复合没有形成新物质。图 5 膨胀石墨 、 石蜡及其复合相变储热材料的 XRD图谱Fig 5XRD spect ra of expanded grap hite , paraffin andcompo site p hase change material3. 5 相变储热材料的差示扫描量热分析图 6为石蜡和石蜡 /膨胀石墨复合相变储热材料 的 DSC 曲线 , 由于本实验选用的切片石蜡是多脂肪烃 类的混合物 , 在 60 左右存在着固 2液相变外 , 在 40

12、左右还有一个固 2固相变 , 吸热和放热过程中的焓值相 当 , 分别为 188. 15和 183. 71J /g 。 石蜡 /膨胀石墨复合 相变储热材料的相变温度与石蜡相近 , 相变焓 166. 14J /g , 这与 90%石蜡质量含量的对应值相当。 图 6 石蜡及石蜡 /膨胀石墨复合相变材料的 DSC 图 Fig 6DSC curves of t he paraffin and paraffin/expand 2ed grap hite compo site p hase change material4 结 论(1 制备出石蜡 /;(2 %时 , 复合相变储热 , ;(3 石蜡与膨胀石墨

13、复合没有形成新物质 ; (4 复合相变储热材料的相变温度与石蜡相近 , 相变焓与对应石蜡质量含量下的计算值相当 。 参考文献 :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