Page 45 - 《精细化工》2022年第12期

第 12 期 刘子路，等: 铜纳米粒子导热增强固-液相变储能材料的性能 ·2411·

单质铜，待反应完成后迅速将混合液放置在冰水浴 里不再赘述。
中。静置 12 h 后，使用去离子水离心洗涤 3 次以去
2 结果与讨论
除未参与反应的反应物并降低包覆在铜核表面的钝
化剂厚度，随后对离心产物进行冷冻干燥（–80℃、
2.1 CuNP/PEG 固-液 PCMs 的 FTIR 分析
48 h），即可得到红色的 PVP/PEG/Cu 复合纳米粒子
通过 FTIR 曲线可以探究 CuNP 与 PEG 的掺杂
CuNP。将 10 g（0.001 mol）PEG 升温至 70 ℃，再
方式，分别对纯 PEG、CuNP、CuNP(1%)/PEG、
称取不同质量的 CuNP 分散在融化的 PEG 中制备
CuNP(2%)/PEG、CuNP(3%)/PEG、CuNP(4%)/PEG
CuNP(N%)/PEG 固-液 PCMs。其中，N%为 CuNP 占
以及 CuNP(5%)/PEG 进行 FTIR 测试，结果如图 1 所
固-液 PCMs 总质量的质量分数。对照样 PVP(5%)/
–1
示。由图 1 可知，纯 PEG 在 2890 cm （—CH 2 —）、
PEG 的制备方法同上，仅将 CuNP 替换为 PVP。 –1 –1
1467 cm （—CH 2 —）和 1112 cm （—C—O—C—）
将 CuSO 4 、PVP 以及 PEG 溶解在去离子水中形 –1
处出现 3 个特征峰，CuNP 曲线在 1641 cm 处出现
成均匀稳定的溶液，随后向体系内添加 NaOH，使
了明显的 C==O 伸缩振动峰。不同 CuNP 掺杂量的
CuSO 4 在碱性条件下转化为不稳定的 Cu(OH) 2 。理
CuNP/PEG 固-液 PCMs 曲线上特征峰的位置基本一
论上，Cu(OH) 2 在水相体系中应该是絮状沉淀，但 –1 –1
致，均在 2890 cm （—CH 2—）、1467 cm （—CH 2 —）、
是在该体系中，由 PVP 和 PEG 组成的有机钝化剂 –1 –1
1112 cm （—C—O—C—）以及 1641 cm （C==O）
会随着反应的进行逐渐包覆在 Cu(OH) 2 表面形成壳
处出现 4 个特征峰。通过比较各曲线可以发现，
状保护层，并提供强大的空间位阻效应，使 Cu(OH) 2
CuNP/PEG 固-液 PCMs 曲线中同时出现了 PEG 和
能够分散在水中形成稳定的分散体系。最后，加入
CuNP 的特征峰，证明 CuNP 已经掺杂进了 PEG 内，
还原剂水合肼使 Cu(OH) 2 在钝化剂壳层内被还原为
而除此之外并没有发现新的官能团特征峰，说明
单质铜并作为核存在，还原反应中产生的 N 2 可以防
CuNP 在与 PEG 的掺杂过程中没有产生新的基团，
止铜核在制备过程中被氧化。
也就是说 CuNP 与 PEG 仅为物理混合。
1.3 结构表征与性能测试
FTIR 分析：将 CuNP/PEG 固-液 PCMs 切成块
–1
状，在 500~4000 cm 范围内进行全反射模式傅里叶
变换红外光谱分析。紫外吸光度测试：将 CuNP/PEG
固-液 PCMs 加热至融化后取相同体积放入玻璃比色
皿，在 370 nm 波长下采用紫外分光光度计进行吸光
度测试，每个数据点测量 10 次并取平均值作为样品
的吸光度。DSC 分析：取适量的样品放在铝制坩埚
内，在 N 2 保护下以 10 ℃/min 的速度由 0 ℃升至
80 ℃。TGA 分析：取适量的样品放在铝制坩埚内，

在 N 2 保护下由室温升至 800 ℃，升温速率为
图 1 CuNP/PEG PCMs 的 FTIR 谱图
10 ℃/min。XRD 测试：称取相同质量的 CuNP/PEG
Fig. 1 FTIR spectra of CuNP/PEG PCMs
固-液 PCMs 粉末放入石英模具内，利用 X 射线衍射
仪在 5°~80°范围内进行测试，仪器使用 Cu K α 射线， 2.2 CuNP/PEG 固-液 PCMs 的分散稳定性
Ni 滤波，工作电压为 40 kV，工作电流为 40 mA， 以纳米颗粒作为导热增强剂添加到其他体系内
仪器使用 LynxEye192 位阵列探测器。升降温测试： 可以提高该体系的导热能力，但是从研究结果来看，
称取相同质量的样品在 70 ℃水浴下加热至相变温 纳米颗粒由于极高的表面活化能，在体系内极易团
度得到升温曲线，随后将样品取出并在室温下自然 聚成粒径更大的颗粒并沉降，导致分散性以及分散
冷却得到降温曲线，样品的温度数据由电子温度探 稳定性不佳，影响材料的导热性能以及使用寿
头测定，并通过物质记录仪每隔 4 s 自动记录。热 命 [39-40] 。对于固-液相变材料来说，工作材料（如
循环测试：将 CuNP(5%)/PEG 由室温加热至 70 ℃ PEG、石蜡及无机水和盐等）在相变温度以下时处
并维持 15 min，随后将材料取出放置在室温下冷却 于结晶状态，此时，添加的导热增强剂被紧紧包裹
30 min，每完成一次升降温测试为一次热循环，分 在工作材料链段之间，因此无论放置多久导热增强
别对经过不同热循环次数的 CuNP(5%)/PEG 固-液 剂也不会出现沉降。但当温度升高至相变温度时，
PCMs 取样并通过 DSC 得到样品的相变焓值。CuNP 工作材料因为链段解冻而无法维持固体形态并逐渐
表征：关于 CuNP 的表征 [38] 之前已经报道过，在这 融化为液体。软化后的工作材料链段对导热增强剂