膨润土基纳米复合PCM制备及其建筑节能应用

【摘要】：相变储能技术是利用相变材料在相变过程中具有的储存/释放大量热量、相变温度恒定、相变过程可逆等特点来实现能量在空间和时间上的转移，从而成为目前最受瞩目的实现建筑节能的有效途径和研究方向之一。 本文选取矿产资源丰富、具有优良物化性能的天然纳米材料膨润土作为封装材料，以脂肪酸为芯材，经过调配二元低共融脂肪酸和有机改性膨润土，再利用插层复合法制备了膨润土基纳米复合相变储能材料，并将其掺入到水泥砂浆中制备了相变储能水泥砂浆板。利用DSC、XRD、FTIR、TGA和SEM等方法表征了有机膨润土和膨润土基纳米复合相变材料的结构和热性能，并用试验模拟法对相变材料的储能控温性能进行了初步研究。 根据最低共熔机理及LA-CA二元固-液相平衡图，制备LA-CA二元最低共熔脂肪酸，其最低共熔的摩尔配比为nLA:nCA=0.303:0.697,相变焓为155.78J/g，相变温度为18.57℃。利用十六烷基三甲基溴化铵对钠基膨润土进行有机改性，并将膨润土的晶层间距从1.2650nm增大到2.2156nm，通过正交实验设计L16(45)得到了最佳工艺参数：反应时间为1.5h，改性剂用量为120%CEC，反应溶液的PH值为5，反应温度为70℃，固液比为4%。根据插层复合理论，通过最佳复合配比将LA-CA二元最低共熔脂肪酸插层到膨润土的片层结构中，制备了膨润土基纳米复合相变储能材料，并测得其相变温度为18.10℃、相变焓为60.67J/g，晶层间距增大到5.0154nm，具有良好的储能控温性能，相变体积变化率仅为5.78%，且具有良好的热循环稳定性。膨润土基纳米复合相变储能材料掺入到水泥砂浆中，显著的增大了其储能控温性能，但同时降低了抗压强度。 实验结果表明，本文制备的膨润土基纳米复合相变材料热物性能良好，较好地解决了固液相变材料的封装问题，在建筑节能领域具有良好的应用前景。 【关键词】：膨润土 有机膨润土 脂肪酸 复合相变材料 建筑节能
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 研究背景11-15
• 1.1.1 我国建筑能耗现状11-12
• 1.1.2 相变储能建筑材料12-15
• 1.2 相变储能建筑材料的研究现状15-20
• 1.2.1 相变储能混凝土15-17
• 1.2.2 相变储能石膏板17-18
• 1.2.3 相变储能砂浆18-19
• 1.2.4 相变保温隔热轻质材料19
• 1.2.5 研究中存在的问题19-20
• 1.3 选题意义与研究内容20-22
• 1.3.1 选题意义20-21
• 1.3.2 研究内容21
• 1.3.3 技术路线21-22
• 1.4 本章小结22-23
• 2 试验原理方法与原材料23-39
• 2.1 膨润土矿物结构和主要性能23-27
• 2.2 实验原理27-30
• 2.2.1 最低共熔机理27-28
• 2.2.2 膨润土有机改性原理28-29
• 2.2.3 插层复合理论29-30
• 2.3 主要原材料30-34
• 2.3.1 相变材料30
• 2.3.2 膨润土30-33
• 2.3.3 改性剂33-34
• 2.4 研究方法34-38
• 2.4.1 相变储能材料性能测定方法34-36
• 2.4.2 膨润土及其改性、复合相变材料的结构与性能表征方法36-37
• 2.4.3 相变储能建筑材料的测试方法37-38
• 2.5 本章小结38-39
• 3 相变材料的配制与热物性39-51
• 3.1 前言39
• 3.2 相变材料的分类与特点39-44
• 3.2.1 固-固相变材料及其特点40-41
• 3.2.2 固-液相变材料及其特点41-43
• 3.2.3 定形相变材料及其特点43-44
• 3.3 相变材料的选取与热物性分析44-46
• 3.3.1 相变材料的选取标准44-45
• 3.3.2 相变材料的选取45
• 3.3.3 相变材料的热物性45-46
• 3.4 二元低共熔复合相变材料的制备46-50
• 3.4.1 低共熔配比及热物性的理论预测46-48
• 3.4.2 二元低共熔复合相变材料的制备过程48-49
• 3.4.3 元低共熔脂肪酸最低共熔配比的试验验证与确定49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 4 有机膨润土的制备与性能51-64
• 4.1 前言51-52
• 4.2 有机膨润土的制备52-59
• 4.2.1 试验原料与设备52
• 4.2.2 制备工艺过程52-53
• 4.2.3 交试验优化改性工艺参数53-54
• 4.2.4 正交试验结果分析54-59
• 4.3 有机膨润土的表征59-63
• 4.3.1 X-射线衍射分析59-60
• 4.3.2 外光谱分析60-61
• 4.3.3 热失重分析61-62
• 4.3.4 扫描电镜微观分析62-63
• 4.4 有机膨润土的膨胀性能测定63
• 4.5 本章小结63-64
• 5 膨润土基纳米复合相变储能材料的制备与性能64-78
• 5.1 引言64
• 5.2 膨润土基纳米复合相变储能材料的制备64-66
• 5.2.1 试验原料与设备64
• 5.2.2 制备工艺过程64-65
• 5.2.3 最佳复合质量比例65-66
• 5.3 膨润土基纳米复合相变储能材料的结构与形貌表征66-69
• 5.3.1 X-射线衍射分析66-67
• 5.3.2 红外光谱分析67-68
• 5.3.3 扫描电镜微观形貌分析68-69
• 5.4 膨润土基纳米复合相变储能材料的热性能分析69-74
• 5.4.1 相变温度与相变焓69-71
• 5.4.2 相变过程的储能控温性能71-73
• 5.4.3 相变前后的体积变化率73-74
• 5.5 热稳定性能研究74-76
• 5.5.1 热失重分析74-75
• 5.5.2 热循环稳定性75-76
• 5.6 本章小结76-78
• 6 相交储能水泥砂浆板的制备及性能研究78-87
• 6.1 引言78
• 6.2 相变水泥砂浆板的制备78-80
• 6.2.1 试验原料与设备78-79
• 6.2.2 相变水泥砂浆板的配比设计与制备过程79-80
• 6.3 相变水泥砂浆板的抗压强度测定80-81
• 6.4 相变储能水泥砂浆板的热物性研究81-85
• 6.4.1 相变储能水泥砂浆板的储能控温性能82-83
• 6.4.2 相变储能水泥砂浆板的导热性能测定83-85
• 6.5 本章小结85-87
• 结论87-89
• 参考文献89-94
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况94-95
• 致谢95-96
• 作者简介96-97

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