摘 要

随着储热技术和储热材料的深入研究与发展，有机-无机复合相变储热材料越来越受到关注，其不仅具有有机相变储热材料无毒、腐蚀性小、性能稳定、不易发生过冷及相分离、固体成型性好、价格低廉等优点，还通过在有机相变储热材料中添加无机基体支撑材料解决了有机相变储热材料导热率低、液体易泄露的问题。本文采用混酸氧化法对碳纳米管进行酸化，并以十六醇/月桂酸为相变储热材料，酸化碳纳米管为基体支撑材料，通过熔融共混法制备十六醇/月桂酸/酸化碳纳米管储热材料。利用SEM、XRD、FT-IR、DSC和热常数分析仪等仪器对材料的微观形貌、物相、结构及热物性能进行表征。

关键词：十六醇；月桂酸；酸化碳纳米管；复合相变材料；热物性能

Abstract

With the deep research and development of thermal energy storage technology and thermal energy storage materials, organic-inorganic composite phase change thermal energy storage materials are getting more and more attention, because they not only contains the advantages of organic phase change materials, such as non-toxic, little corrosion, stable performance, hardly occurring supercooling phenomenon and phase separation, good solid formability, low cost, but also can overcome the disadvantages of low thermal conductivity and liquid leakage during the phase change process by adding inorganic materials to organic phase change materials. In this paper, the carbon nanotubes are acidified by the method of mixed acid oxidation, and then using hexadecanol/lauric acid which is organic phase change energy storage material and acidified carbon nanotubes which are inorganic materials prepares hexadecanol / lauric acid / acidified carbon nanotubes thermal energy storage materials. The micro morphology, phase, structure and thermal properties of the composite are characterized by several instruments such as SEM, XRD, FT-IR and DSC.

Key Words：hexadecanol；lauric acid；acidified carbon nanotubes；composite phase change materials；thermal properties.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 储热材料概述 1

1.2.1 显热储热材料 2

1.2.2 相变储热材料 2

1.2.3 化学反应热储热材料 4

1.3 有机-无机复合相变储热材料的国内外研究现状 5

1.4 本论文的研究意义与内容 5

1.4.1 研究意义 5

1.4.2 研究内容 6

第2章 材料制备及测试方法 7

2.1 实验试剂及仪器 7

2.2 材料制备 7

2.3 材料的表征与测试 8

2.3.1 扫描电子显微镜表征 8

2.3.2 X射线衍射仪物相分析 9

2.3.3 红外光谱分析 9

2.3.4 差示扫描量热仪分析 9

2.3.5 热导率测试 10

第3章 十六醇/月桂酸/酸化碳纳米管的性能研究 11

3.1 SEM分析 11

3.2 XRD分析 11

3.3 FT-IR分析 12

3.4 DSC分析 13

3.5 热导率分析 14

第4章 结论与展望 15

4.1 结论 15

4.2 展望 15

参考文献 16

致谢 18

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着全球科技、经济的迅速发展与人口的急剧增长，能源在人类社会的发展过程中扮演着越来越重要的角色，人类对能源的消耗与日俱增，全球能源问题愈发紧张。全球的能源资源主要包括煤炭、石油天然气等化石能源以及风能、核能、水能、太阳能、潮汐能等清洁能源。目前，全球的能源系统仍然主要依赖于化石能源，虽然全球化石能源储量丰富，但伴随着自工业革命以来数百年的大量开发及消耗，其正面临着资源枯竭的严峻现实。与此同时，全球能源消耗总量和人均能源消耗量均呈现出增长趋势。由国际能源署发布的《2014全球能源展望报告》中明确指出，全球一次能源需求到2040年时将增加47%^[1-2]。近年来，我国的能源需求量越来越大，2016年BP公司发布的第65版《BP世界能源统计年鉴》显示，中国仍然是世界上最大的能源增长型市场和最大的能源消耗国^[3]。能源问题是关系国计民生的重大战略问题，新能源的开发利用以及能源利用率的提高也越来越受到人们的关注。

由于能源的供给方和需求方常常在时间、空间以及强度等方面上存在不匹配的矛盾，再加上一些不合理使用的情况，导致了能源的大量浪费。储能技术是指在能量研发、转化、输送以及利用过程中，通过采用人为的技术手段来储存与释放能量，来弥补空间、时间以及强度上的差异。因此，储能技术可以有效地解决能源供需方面的矛盾，缓解资源浪费的情况，从而达到提高能源利用率的目的。储能主要包括热能、电能、动能、化学能、电磁能等能量的储存，其中热能、电能的储存为目前储能技术研发的主要方向。热能的使用与人们的生活息息相关，储热材料则是储热技术的核心。

1.2 储热材料概述

储热材料是指能将一定时期内的多余热量暂时地以其他形式的能量储存起来，待有需要时能方便快速地将储存起来的能量转化为热能释放出来并加以利用的物质。通常情况下，可广泛应用的储热材料应满足无毒、无腐蚀性、导热能力强、储热密度高、稳定性好、成本较低、不易燃易爆、储放热时体积无变化或变化小的要求。储热材料的种类非常多，从材料的组成来看，分为有机储热材料和无机储热材料；从储热的温度范围来看，分为高温储热材料、中温储热材料和低温储热材料；从储热的方式来看，分为显热储热材料、潜热储热材料和化学反应热储热材料^[4-5]。在热量传输、转换和储存过程中是最为关键的就是储热方式与储热材料的选择。每一种储热材料与储热方式都有其各自的优点和不足，所以研制开发出高效、环保、稳定性好、性价比高的储热材料成为目前非常重要的研究课题。

1.2.1 显热储热材料

材料在加热或冷却过程中，在原本相态和成分不发生任何改变的情况下吸收或释放的热量被称为显热^[6-7]。显热储热材料实际上就是利用材料其本身的高热导率和高比热容，通过改变材料的温度来进行热量的储存或者释放。显热储热材料储存或释放的热量取决于储热材料的质量、比热容以及温度变化量。显热储热技术和显热储热材料已经发展到一个相当发达的阶段，显热储热材料根据形态可以分为固体显热材料和液体显热材料。固体显热材料有水泥、陶瓷、金属、石灰石、石墨、砖块、砂等，固体储热材料不易腐蚀、不易和其他物质发生反应、来源广泛、价格低廉。固体显热储存主要有地下土壤储热器和岩石床储热器。近年来，已经证实了利用地下土壤作为太阳能储热介质进行低温热能储存的可行性，一些国家已经将其应用于农业以及建筑供暖中。岩床型储热材料多用于空气加热系统中，因而广泛应用于干燥领域中。Bal、Satya等^[8]将卵石作为显热储热材料，设计并制造了太阳能干燥系统；Fudholi、Sopian等^[9]在太阳能果蔬干燥中采用砂子作为显热储热材料。李石栋、张仁元等^[10]在聚光太阳能热发电研究中将高温混凝土作为高温显热储热材料。液体显热储热材料有水、油、乙醇、熔融盐等，其中水是最为常见的，因为水的比热容比较大、来源方便且成本低廉，主要应用于生活用热水、建筑物供暖等领域。显热储热系统结构简单、操作方便，同时显热储热材料还具有来源广泛、成本低廉的优点。但显热储热材料的储热密度较小，将导致储热系统体积过大。而且在储存和释放能量时，其温度会产生连续变化，使热流不稳定。因此显热储热材料并不适合用于较大容量、较长时间的储热。

1.2.2 相变储热材料

相变储热材料，又称为潜热储热材料，是指依靠在相态转变过程中吸收或者释放热量来实现储热或放热的材料。相变储热材料具有储热密度高、储存热量和释放热量时温度恒定、控制方便等优点，其特别适合用在温度变化比较频繁的场合，具有广泛且良好的应用前景，因此成为近年来国内外在材料科学与能源利用方面十分活跃的研究领域。相变储热材料的种类非常多，按照相变形式，可分为固-固、固-液、液-气、气-固四类，由于液-气、气-固的相变过程中有大量气体存在，对材料体积变化影响很大，同时不易封装且容易泄露，所以在实际应用中很少见到，目前研究的重点对象主要是固-固相变储热材料和固-液相变储热材料。固-固相变储热材料并非材料不发生相态变化，而是晶型产生了转变，常见的固-固相变储热材料有多元醇、聚乙烯、层状钙钛矿等，其中应用最为广泛的是多元醇。常见的固-液相变储热材料则主要为高级脂肪烃、熔融盐、结晶水合盐、金属及合金等。按照相变储热材料的组成，可以分为无机相变储热材料、有机相变储热材料和有机-无机复合相变储热材料^[11-13]。理想的相变储热材料应该符合单位质量潜热高、热导率高、储热密度高、比热容大、相变温度适宜、性能稳定、无毒、无腐蚀性、不易过冷、不易相分离、价格低廉等要求。

1.2.2.1 无机相变储热材料

无机相变储热材料的储能密度高、相变潜热高、热导率高，而且还具有使用温度范围较宽、温度控制恒定、可重复性好、体积小巧、相变时体积变化小、价格便宜等优点。可是毒性较大、腐蚀性较强、容易发生过冷和相分离现象、不一致熔融等缺点却又不可避免。无机相变储热材料主要为熔融盐和结晶水合盐。熔融盐类相变储热材料主要为硝酸盐，碳酸盐以及碱金属的氧化物、氯化物、氟化物，可以是单组分、双组分或者多组分的混合物。结晶水合盐类中使用较多的有碱金属及碱土金属的卤化物、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、醋酸盐的水合物。无机相变储热材料广泛应用于建筑材料、通讯方面以及工业余热废热回收再利用等领域，在光能利用、军事装备等领域液也具有广阔的前景，现已投入应用的有保温建筑材料、太阳能路灯、温室大棚等^{[4, 5, 11, 14]}。今后无机相变储热材料的研究方向将主要集中于改善相变速率与导热性能、开发多功能无机相变储热材料、性能优化、降低成本等方面。常见无机相变储热材料如表1.1所示。

表1.1 常见无机相变储热材料