Page 55 - 《精细化工》2022年第6期
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第 6 期                     周建华，等:  改性胶原气凝胶复合相变材料的制备及性能                                   ·1121·


            的压缩应力逐渐变大。在压缩应变为 50%时，DCMC
            用量为 15%的改性胶原气凝胶的压缩应力（27.68 kPa）
            是未引入 DCMC 的胶原气凝胶（7.49 kPa）的约 3.7
            倍。这是由于 DCMC 的加入可以使胶原分子之间的
            氢键等被席夫碱键取代，并且随着 DCMC 含量增
            加，交联产生的席夫碱共价键增多，交联密度也随
            之增加，促使胶原分子间形成更多的互相交缠结构，
            力学性能明显改善。但 DCMC 用量大于 15%后，改
            性胶原气凝的压缩应力显著降低。在压缩应变为

            50%时，DCMC 用量为 20%的改性胶原气凝胶的压                        图 5  PEG4000 和 DCMC 改性胶原气凝胶复合相变材料
            缩应力为 21.40 kPa，比 DCMC 用量为 15%的改性                        的 DSC 曲线
            胶原气凝胶的压缩应力减少 6.28 kPa，这是因为                         Fig.  5    DSC curves  of PEG4000  and DCMC modified
                                                                      collagen aerogel composite phase change material
            DCMC 用量过多会使得胶原分子间的交联密度过
            大，气凝胶的密度增加而孔隙率下降导致气凝胶的                                 如图 5 和表 1 所示，DCMC 改性胶原气凝胶复
            弹性变差，力学性能明显降低。后续测试和表征均                             合相变材料和 PEG4000 的 DSC 曲线相似，且相变
            为 DCMC 用量为 15%的改性胶原气凝胶。                            峰值温度接近，其熔融峰值温度（T m ）和结晶峰值
            2.4  DCMC 改性胶原气凝胶复合相变材料的 DSC                       温度（T c）分别为 58.8 和 36.7  ℃；熔融焓为(137.6±
                 分析                                            4.3) J/g，是纯 PEG4000 潜热的 96.7%。这是由于气
                 本研究制备的气凝胶对相变材料具有很高的负                          凝胶复合相变材料中有气凝胶骨架充斥其中，气凝
            载率，0.42 g DCMC 改性胶原气凝胶可负载 6.10 g                   胶本身质量的存在，以及胶原骨架结构改变了 PEG
            PEG4000，负载率高达 1452.4%。通过 DSC 测试了                   分子链的状态和 PEG 与胶原骨架间的相互作用，导
            PEG4000 和 DCMC 改性胶原气凝胶复合相变材料的                      致熔融焓略微下降，但气凝胶复合相变材料仍具有
            热性能，结果见图 5，相关数据列于表 1。                              良好的储热能力。

                             表 1  PEG4000 和 DCMC 改性胶原气凝胶复合相变材料的相变温度及相变焓
            Table 1    Phase change temperature and enthalpy of PEG4000 and DCMC modified collagen aerogel composite phase change
                    material
                         样品                 T m0/℃  T m/℃   T me/℃   ΔH m/(J/g)  T c0/℃  T c/℃  T ce/℃   ΔH c/(J/g)
             PEG4000                        47.9     59.0    67.9   142.2±3.1  23.6   37.8     46.4  134.6±4.8
             DCMC 改性胶原气凝胶复合相变材料             47.0     58.8    69.5   137.6±4.3  23.4   36.7     44.7  126.8±5.0
                 注：T m0—初始熔融温度；T m—熔融峰值温度；T me—熔融结束温度；ΔH m—熔融焓；T c0—初始结晶温度；T c—结晶峰值温度；T ce—结
            晶结束温度；ΔH c—结晶焓。

            2.5  DCMC 改性胶原气凝胶及其复合相变材料的                         性能。
                 隔热性能分析                                            图 7 为 PEG4000、DCMC 改性胶原气凝胶和
                 将脱脂棉放在酒精灯烧红的铜板上，通过在铜                          DCMC 改性胶原气凝胶复合相变材料的导热系数。
            板上垫入或不垫入气凝胶来考察其隔热性能                     [23] ，结    从图 7 可以看出，纯 PEG4000 的导热系数为 0.3179
            果见图 6。                                             W/(m·K)，孔隙率为 96.49%的 DCMC 改性胶原气凝
                 如图 6a 所示，将脱脂棉放在酒精灯烧红的铜板                       胶的常温导热系数为 0.0487 W/(m·K)，而 DCMC 改
            上，仅在 20 s 内，棉花就开始变黑和炭化，然后迅                         性胶原气凝 胶复合相变材料的常温导热系数为
            速燃烧。如图 6b 所示，将脱脂棉放置在约 5 mm 厚                       0.1519 W/(m·K)。相对于 DCMC 改性胶原气凝胶，
            的 DCMC 改性胶原气凝胶上，随着加热时间延长至                          DCMC 改性胶原气凝胶复合相变材料的导热系数较
            120 s，脱脂棉依然维持原貌，没有出现燃烧现象，                          大。这是由于 DCMC 改性胶原气凝胶高比表面积和
            说明气凝胶对棉花起到了很好的保护作用。这是由                             强毛细管作用力，使得 PEG4000 可以很好地附着在
            于 DCMC 改性胶原气凝胶的孔隙率高达 96.49%，                       胶原的三维骨架网络之间，在浸渍相变材料后，
            超高的孔隙率使得空气占据固体气凝胶材料的大                              DCMC 改性胶原气凝胶的绝大部分孔洞被 PEG 所
            部分体积，这些不流动的空气是热的不良导体，从                             填充，使得孔隙率降低，仅有很少部分小孔或微孔
            而降低气凝胶材料的热导率，使其具有优良的隔热                             存在（图 8），导致导热系数变大。
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