二元_三元脂肪酸—脂肪醇共晶相变储能材料模拟分析及实验研究.pdf
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1、信息记录材料 年 月 第 卷第 期二元 三元脂肪酸脂肪醇共晶相变储能材料模拟分析及实验研究庄 英,林韶晖,冯献社,潘勤敏(通信作者)(苏州大学材料与化学化工学部 江苏 苏州)【摘摘要要】本文基于低共熔理论,通过 软件的模拟研究,设计开发了八种新型二元及三元脂肪酸脂肪醇共晶相变材料,其中三种相变温度在 之间,相变潜热在 之间,适合低温建筑保温领域的需要。利用差示扫描量热法(,)测试月桂醇硬脂酸,月桂醇棕榈酸和月桂醇硬脂酸棕榈酸共晶相变材料的热物性能,实验结果与模拟较为吻合,误差较小,证明模拟计算的可靠性。傅里叶变换红外光谱仪(,)证明组分之间仅有物理作用促进彼此结合。新型共晶相变材料的开发降低了
2、单一脂肪酸 脂肪醇的相变温度,扩大了其应用领域。【关关键键词词】共共晶晶相相变变材材料料;脂脂肪肪酸酸;脂脂肪肪醇醇;软软件件;低低共共熔熔理理论论【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】()基金项目:国家自然科学基金(、),苏州工业园区、江苏省高等学校重点学科发展计划、苏州大学创新科研团队计划。作者简介:庄英(),女,福建晋江,硕士,研究方向:储能材料。引言随着中国经济的快速发展,人们对住宅舒适度的要求日益上升,导致在建筑供暖 制冷所消耗的煤电能源大幅上升。据相关文献报道,我国建筑能耗占社会总能耗的比例约为。为了避免煤炭等不可再生能源耗尽,减缓环境污染和气候问题,
3、建筑节能势在必行。相变材料(,)作为新型储能材料,当环境温度达到其相变温度时,能够吸收 释放热量,从而对环境温度进行调控。将相变材料应用于建筑领域,不仅可以降低冬季白天室内的热负荷,还可以降低化石能源在采暖中的消耗,由此降低建筑冬季的二氧化碳等污染物排放。在相变储能材料中,脂肪酸 脂肪醇来源丰富,性能优越,具有无毒、生态友好的生物基性质、相变时蒸汽压低、过冷程度小、与建筑材料兼容性好等优点,使其适用于低温和中温建筑节能应用。然而,单一组分的脂肪酸 脂肪醇相变材料存在相变温度过高或过低,相变温度位于 范围之间,符合建筑采暖 制冷应用的种类较少,不利于其在低温建筑上的应用。近年来,为满足实际应用需
4、求,利用材料复配方法获得具有合适相变温度及高相变潜热的多元相变材料引起了人们的关注。国内外研究进展 等以硬脂酸和肉豆蔻酸二元共晶混合物为代表,制备了一系列不同组合比例的二元混合物,分别进行动态稳定控制系统(,)热分析测试,确定硬脂酸和肉豆蔻酸的共晶质量比为 ,经过共混后,相变温度从 降至 。等将脂肪酸十酸、十二酸、十六酸、十八酸相互混合,开发了一系列二元相变材料。通过相图热力学方法计算二元脂肪酸相应的配比,将温度时间曲线和 测试的实际数据与计算结果作对比,验证相图的热力学计算可作为确定二元低共熔相变材料混合比例的依据。王委委等选用月桂酸、肉豆蔻酸、硬脂酸作为研究对象,根据最低共熔点理论调节单一
5、材料的组分和比例,得到月桂酸、肉豆蔻酸、硬脂酸三元脂肪酸共晶物中各组分的质量比为 ,相变温度为 ,低于组分最低熔点 。通过对混合脂肪酸相变材料,极大地降低了其熔点,使之符合建筑领域对相变材料温度的要求。当前制备低共熔物的研究方向主要有三种:一是选取多种脂肪酸共混形成二元(或三元)低共熔物;二是选用单一脂肪酸与单一脂肪醇进行共混;三是将石蜡等烷烃类相变材料与脂肪酸或醇共混;然而,对于脂肪酸与脂肪醇相变材料之间进行二元或三元复合的研究较为少见。本文目的是通过二元甚至三元共晶脂肪酸及脂肪醇来对单一的脂肪酸 醇进行改进,基于最低共熔理论,利用 软件生成程序,模拟计算了二元及多元复合相变材料的理论质量配
6、比和理论潜热值,对得到的多种二元及多元复合材料进行筛选,选择符合低温建筑采暖 制冷温度领域的配比。再通过实验实际制备,对比理论与实验结果,丰富脂肪酸脂肪醇基的共晶相变材料的温度和应用范围。由低共熔理论可知,形成低共熔相变材料后,其相变温度较之前单一组分有一定幅度的降低。因此本文以较宽的温度范围()选择组分相变材料,选取月桂醇、肉豆蔻醇、硬脂酸和棕榈酸四种有机相变材料进行研究。分别对其进行 测试,得到热性能参数。表 为本文月桂醇、肉豆蔻醇、硬脂酸和棕榈酸相变材料的热性能参数,以该 测试得到的数据为基础进行下一步的模拟计算。表 脂肪醇、脂肪酸类相变材料的 数据与文献对比类型熔融温度 熔融潜热()分
7、子量月桂醇()肉豆蔻醇()硬脂酸()棕榈酸()信息记录材料 年 月 第 卷第 期 实验 实验材料与所需仪器月桂醇(,),分析纯,上海梯希爱化成工业发展有限公司;肉豆蔻醇(,),分析纯,上海化学试剂有限公司;硬脂酸(,),分析纯,上海源叶生物科技有限公司;棕榈酸(,),分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。油浴锅(型),上海予华仪器设备有限公司;电子天平(型号),梅特勒托利多科技有限公司;真空干燥箱(型),天津泰斯特仪器有限公司;冰箱(型),青岛海尔股份有限公司;软件(型),美国 公司。二元 三元低共熔相变材料的制备通过 软件模拟计算,优选出符合本文设计目标的二元 三元脂肪酸脂肪醇低共熔相变材
8、料的理论质量配比;按照该配比称取相应质量的物质于密封玻璃瓶中,将其放于 的油浴锅中 ,等待混合物完全熔化为透明澄清液态。开启磁力搅拌使其混合均匀,搅拌时间为 ,放置冷却至完全结晶。性能表征通过 傅 里 叶 红 外 光 谱 仪()对复合相变材料的化学结构进行了表征,检测波峰范 围 为 。采 用 差 示 扫 描 量 热 仪()测定样品的相变温度和相变潜热,所有样品在氮气流下以 的速率在 之间加热和冷却,并将测试结果与理论计算数值进行比较。低共熔二元 三元共晶相变材料热物性模拟计算由热力学第二定律和相平衡理论推导出的 方程是描述共晶混合物中各组分摩尔分数、相变潜热和相变温度关系的重要公式,。混合物的
9、相变温度和潜热可分别由式()和式()进行理论计算得到:(),(),()式()、式()中 为二元共晶相变材料的理论熔化温度,单位为;为二元混合物的理论融化潜热,单位为;为 物质的熔点,单位为;为 物质的相变潜热,单位为 ;为 物质在二元复合体系中的摩尔分数;为摩尔气体常数,。由式()可计算出二元复合体系低共熔混合物的质量配比和理论相变温度,通过 软件绘制得到理论相图。该式对于 元或 多元复合体系,也同样适用,只需将前 种混合物与第 种物的相变数据和组分分别作为 和 的数据代入公式计算,便得到 元复合体系的理论相变温度和相变潜热。通过式()可以看出,当确认为具体某种物质时,和 是确定的,则复合相变
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