Page 44 - 《精细化工》2022年第12期
P. 44

·2410·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 39 卷

            缓解能源供需矛盾的方法            [3-4] 。目前，它已被广泛用            性，然而，大量的助剂会明显降低材料的相变焓值
            于热能管 理 的实际应 用 中            [5-8]  。相 变储能材 料        并影响导热系数增强率。本课题组之前报道                      [38] 的
            （PCMs）是一种通过相变过程吸收外部显热，并以                           PVP/PEG/Cu 纳米粒子（CuNP）可以在无任何保护
            潜热形式存储和释放热能，从而保持温度恒定的有                             措施的情况下直接合成和使用，并且无需任何助剂
            效储能介质      [9-10] 。由于其在相变过程中具有储能密                  即可稳定地分散在水中。当水中 CuNP 的质量浓度
            度高、温度偏移小等优点而被广泛应用                   [11-13] 。聚乙    为 0.010 kg/L 时，流体的对流换热系数与纯水相比
            二醇（PEG）作为一种安全、稳定、生物友好的材                            提高 20.86%。因此，若将制备的 CuNP 引入到相变
            料，因为价格低廉、结晶速度快以及相变焓值高而                             体系，则有望同时实现 PCMs 的高相变焓值、高导
            备受关注     [14] 。但是，PEG 也存在着导热能力较低的                  热能力以及高热稳定性。
            缺陷，这使得由其制备的 PCMs 能够吸收的热量远                              本文将制备的 CuNP 作为导热增强剂引入到
            低于环境提供的总量，在热交换过程中造成大量的                             PEG 中制备了 CuNP/PEG 固-液 PCMs。利用 CuNP
            热能流失。因此，导热能力差是降低 PCMs 的能源                          表面的 PVP 与 PEG 之间的物理作用赋予 CuNP 高分
            利用率以及限制其应用的主要因素                 [15-16] 。近年来，      散稳定性。此外，借助 PVP 对铜核的保护作用，使
            研究人员提出通过添加小尺寸、高导热系数的导热                             得 CuNP 在使用过程中避免被氧化，确保 PCMs 具
            增强剂    [17-22] ，利用添加物的微对流效应来提高 PCMs                有稳定的性能并提高了其导热能力，使得材料在相
            的导热能力      [23-25] 。这种方法操作简单而且提高效果                 同时间内能够存储和释放更多的热量来提高能源的
            十分显著。碳材料和金属材料均具有较高的导热系                             利用率。
            数，因此经常作为导热增强剂使用                [26-27] 。研究表明，
            温度升高会加剧声子的相互作用和散射并降低声子                             1   实验部分
            的平均自由程，导致碳材料的导热系数增强率下                              1.1    试剂与仪器
            降 [28] 。而金属纳米颗粒依靠电子运动实现导热性能
                                                                   PVP-K30（简称为 PVP）、无水硫酸铜（CuSO 4 ），
            增强，且由于球形颗粒各向同性，使得导热系数增                             AR，天津光复精细化学化工研究所； PEG-10000
            强效果几乎不受温度的影响             [29] 。
                                                               （简称为 PEG），AR，天津大茂化学试剂厂；氢氧
                 铜（Cu）作为一种常见的金属，因为导热性能
                                                               化钠（NaOH），AR，天大化学试剂厂；水合肼
            优异〔导热系数为 401 W/(m·K)〕、制备方法简单、                      （N 2 H 4 •H 2 O，质量分数 80%），AR,天津博迪化工股
            成本低廉而经常作为导热增强材料使用                   [30] 。将铜纳
                                                               份有限公司；实验全程使用自制去离子水，所有试
            米粒子引入到 PEG 中，借助纳米颗粒带来的微对流
                                                               剂均未经过其他处理。
            效应能够显著提高 PCMs 的导热能力，减少材料在
                                                                   FTIR-430 傅里叶变换红外光谱仪，日本 JASCO
            使用过程中的热能浪费问题，从而提高材料的热能                             公司；HP8453 紫外分光光度计，美国 Agilent 科技
            利用率    [31-32] 。此外，有机钝化剂壳层能够将铜核与
                                                               有限公司；DSC 204 差示扫描量热仪、TG 209 热重
            氧气、酸、碱以及其他刺激性物质隔离，其强大的
                                                               分析仪，德国 Netzsch 公司；SmartLab 9KW X 射线
            空间位阻可以保证铜纳米粒子在 PEG 发生物相转变
                                                               衍射仪，日本 Rigaku 公司；DT-1311 电子温度探头，
            后仍然能够稳定分散，从而提高固-液 PCMs 性能的
                                                               深圳利华仪器有限公司；SK-130RD 物质记录仪，
            稳定性。然而，铜纳米粒子同样被纳米材料的通病
                                                               江苏省苏科仪表有限公司。
            所困扰，其在极高的表面能级的作用下很容易发生                             1.2  CuNP/PEG 复合固-液制备 PCMs
            团聚并沉淀，导致粒子的分散稳定性较差                   [33] 。此外，
                                                                   合成路线如下所示：
            纳米铜在制备和使用过程中容易被氧化，使得导热                                              
                                                                              OH
                                                                                                4 H O
                                                                                             NH
                                                                                                  2
                                                                                              2
            系数降低。目前，研究人员报道了大量使用分散剂                                    CuSO     Cu(OH) 
                                                                           4
                                                                                          2
            以及抗氧化剂来提高纳米铜稳定性的方法                      [34-36] 。           Cu H O N  2    2      H   2
            MAJI 等  [37] 在体系中加入抗坏血酸和聚乙烯吡咯烷                         首先，将 PVP 12 g（0.002 mol）和 PEG 0.5 g
            酮（PVP）作为抗氧化剂和稳定剂，以粒径为 50 nm                        （0.00005 mol）溶于 80  ℃的 5 mL 去离子水中，待
            的纳米铜粉作为导热增强剂制备了 Cu/乙二醇（EG）                         充分溶解后使用 2 mol/L 的 NaOH 水溶液将体系 pH
            纳米流体。纳米铜可以在该体系内稳定地分散几天，                            调至 13 左右。随后将提前配制好的 5 mL  1 mol/L
            当铜纳米颗粒的负载量为 0.6%（以 EG 的体积为基                        CuSO 4 溶液以 0.5 mL/min 的速度滴加到上述混合
            准）时，Cu/EG 纳米流体的导热系数与纯 EG 相比                        物中，经剧烈搅拌 30 min 后得到不稳定的 Cu(OH) 2
            提高了 5%。从实验结果来看，需要向体系内加入大                           絮状物。再将还原剂水合肼（质量分数 80%）以
                                                                                                     2+
            量的抗氧化剂和分散剂才能维持铜纳米颗粒的稳定                             2 mL/min 的速度滴入，并持续搅拌 1 h 使 Cu 还原为
   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49