碳納米管/月桂酸復(fù)合材料的制備及其熱物性分析

楊會(huì)娟

[摘? ? ? ? ? ?要]? 蓄熱相變材料月桂酸用在空調(diào)溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)時(shí)，存在導(dǎo)熱系數(shù)偏低的問(wèn)題，為提高其導(dǎo)熱系數(shù)，運(yùn)用在單一月桂酸中加入碳納米管的方法，用先超聲振動(dòng)再乳化攪拌的方式使碳納米管在月桂酸中分散均勻。由于碳納米管本身具有的高導(dǎo)熱系數(shù)，使處理后的材料較單一月桂酸導(dǎo)熱系數(shù)明顯提高，其中碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，復(fù)合材料較單一月桂酸導(dǎo)熱率提高了34%。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 碳納米管;月桂酸;蓄熱相變材料;導(dǎo)熱系數(shù)

[中圖分類號(hào)]? TB64 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)]? 2096-0603（2018）35-0168-02

納米材料是現(xiàn)今社會(huì)的一種重要材料，碳納米管是納米材料的一種，有很強(qiáng)的代表性，其在各科學(xué)領(lǐng)域都有突出表現(xiàn)。近年來(lái)，它的高導(dǎo)熱性能使它在熱力研究方面占有一席之地，各路研究學(xué)者紛紛將碳納米管加入常用的導(dǎo)熱材料中，制成高導(dǎo)熱率的新型材料[1，2]。本文將碳納米管加入月桂酸中，對(duì)形成的復(fù)合材料的導(dǎo)熱率及其他物性參數(shù)進(jìn)行研究，探索碳納米管是否適合與月桂酸復(fù)合，形成比單一月桂酸更適合用于制冷領(lǐng)域溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的新型蓄熱相變材料。

一、材料的制備

月桂酸又稱十二烷酸，它是一種飽和脂肪酸，詳細(xì)的物性參數(shù)如表1。

碳納米管是碳的同素異形體，多種研究表明，在有機(jī)相變材料中加入碳的這種同素異形體能大幅提高材料的換熱效率，而對(duì)相變潛熱影響較小。

本實(shí)驗(yàn)中，將碳納米管加入到月桂酸中，最重要的是使碳納米管分布均勻，因?yàn)樘技{米管存在較大的van der Waals force，使其容易成團(tuán)成束存在。

在使用前，先對(duì)碳納米管進(jìn)行干球球磨過(guò)篩處理，球磨機(jī)磨球體積為碳納米管體積的4倍，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)成100r/min，經(jīng)4h后用電子掃描鏡檢查發(fā)現(xiàn)，碳納米管的纏繞團(tuán)聚現(xiàn)象基本沒有，后經(jīng)過(guò)篩及烘干處理后放置備用。

用經(jīng)以上處理所得的碳納米管配置出質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.5%、0.8%的溶液備用。過(guò)程為取三個(gè)燒杯分別加入適量的熱水，然后將一定量的月桂酸分別放入熱水中，全部融化后攪拌，使其與熱水混合均勻，后在溶液中加入稱量好的碳納米管，置于型號(hào)為KQ-200KDB超聲儀中處理15min，再用型號(hào)為FA25的高剪切散散乳化機(jī)進(jìn)行攪拌分散，攪拌過(guò)程中為防止試樣凝固，可將其放入熱水中浸泡，攪拌時(shí)間為20min。

將三個(gè)燒杯連同試樣置于60℃烘箱中靜置2h，試樣熔化后靜置不分層，說(shuō)明復(fù)合材料被成功制取。

二、結(jié)果與分析

（一）相變特性

物質(zhì)相變時(shí)的熔點(diǎn)、凝固點(diǎn)及相變潛熱可用差示掃描量熱儀來(lái)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)用量熱儀型號(hào)為Q2000，其中熔點(diǎn)、凝固點(diǎn)可通過(guò)DSC曲線直接讀出，相變潛熱H的計(jì)算公式為：H=KA，K為量熱法常數(shù)，為測(cè)試設(shè)備的參數(shù)，A為量熱曲線吸熱或放熱時(shí)產(chǎn)生的峰形圍成的面積。

用差示掃描量熱儀DSC測(cè)試單一月桂酸及制得的復(fù)合材料的相變特性，升降溫范圍為20～60℃，升降溫速率為5℃/min，結(jié)果如下：■

將圖形上得出的結(jié)論整理如表3：

對(duì)比表上內(nèi)容可以看出，碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，則相變溫度高，但高出的數(shù)值微小，究其原因：（1）由于碳納米管的小尺寸效應(yīng)[3，4];（2）碳納米管所占比例小。碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)少也使得相變焓值增大，一方面是因?yàn)樵鹿鹚豳|(zhì)量增多，另一方面碳納米管吸收了月桂酸的相變潛熱。

（二）導(dǎo)熱特性

復(fù)合材料在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著溫度的變化會(huì)相應(yīng)地發(fā)生相變，內(nèi)部各點(diǎn)溫度也隨著時(shí)間的變化而變化，所以三種試樣的導(dǎo)熱率用非穩(wěn)態(tài)法Hot Disk熱物性測(cè)量?jī)x測(cè)量[5]，測(cè)量?jī)x型號(hào)為2500S，測(cè)量結(jié)果如下圖所示：

將圖形結(jié)果整理如表4：

對(duì)比表上及圖上內(nèi)容可以得出：

（1）液態(tài)材料比固態(tài)材料導(dǎo)熱率高。因?yàn)橐簯B(tài)材料內(nèi)部無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于固態(tài)，加速了材料的換熱。

（2）當(dāng)加入碳納米管時(shí)，液態(tài)材料的導(dǎo)熱率增加量大于固態(tài)材料增加量。這是由于碳納米管在固態(tài)中分布不如在液態(tài)中均勻。

三、結(jié)論

在單一月桂酸中加個(gè)碳納米管，對(duì)月桂酸的相變焓值影響較小，但能明顯提高其導(dǎo)熱率，但隨著碳納米管的增多，導(dǎo)熱速率增量趨于平緩，實(shí)驗(yàn)表明，碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～0.8%之間有比較理想的效果。復(fù)合材料的性質(zhì)穩(wěn)定，適合做蓄熱材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鈺，陳楊華，郭文帥.石蠟基碳納米管復(fù)合相變蓄冷材料[J].制冷學(xué)報(bào)，2014，35（5）：110-113.

[2]陳金明.碳納米管/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料的制備及力、熱性能影響機(jī)理[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]石士考.納米材料的特性及其應(yīng)用[J].大學(xué)化學(xué)，2001，16（2）：39-42.