十六醇/高密度聚乙烯高導(dǎo)熱定型相變材料的制備

孫文娟，董清麗，許雯婷

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230011)

按組成成分分類，將相變材料分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和混合相變材料，也就是將有機(jī)材料和無材料共混的一種相變材料。有機(jī)類相變材料相比無機(jī)相變材料具有穩(wěn)定的性能，毒性小，腐蝕性低，固體狀態(tài)成型性較好，相分離和過冷現(xiàn)象也很少出現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，也具有單位體積的儲能能力較小，密度也較小導(dǎo)致制備封裝不方便，價格相對較高，導(dǎo)熱系數(shù)小等缺點(diǎn)，但可以通過添加高密度聚乙烯等高分子作為支撐材料，再加入納米鋁粉、納米氧化鋁等提高導(dǎo)熱性來彌補(bǔ)。因此，本文研究利用有機(jī)材料——十六醇作為相變材料，以高密度聚乙烯為支撐材料，以膨脹石墨、納米氧化鋁為導(dǎo)熱添加材料制備高導(dǎo)熱定型相變材料，并研究導(dǎo)熱材料的添加對相變材料的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

藥品：十六醇；高密度聚乙烯；可膨脹石墨；納米氧化鋁。

儀器：半微量電子天平；數(shù)顯恒溫水浴鍋；差式掃描量熱儀；電熱恒溫干燥箱。

1.2 定型相變材料制備

按不同的比例分別取適量的脂肪醇置于各個燒杯中，將燒杯置于水浴鍋中進(jìn)行恒溫水浴加熱至完全融化后，用玻璃棒攪拌均勻。取對應(yīng)量的HDPE加入燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻后放入烘箱加熱1h后拿出，將樣品靜置冷卻后，封裝。

1.3 定型相變材料泄露試驗(yàn)

將制備不同比例的定型相變材料，分別放置在濾紙上，設(shè)置烘箱溫度在70℃加熱2小時，拿出，觀察是否有十六醇泄露，從而確定十六醇與高密度聚乙烯最佳的混合比例。

1.4 膨脹石墨的制備

將裝有可膨脹石墨的坩堝放入800℃的馬弗爐中，膨脹40s后，迅速拿出膨脹石墨。

1.5 高導(dǎo)熱定型相變材料的制備

按不同的比例分別取適量的脂肪醇置于各個燒杯中，將燒杯置于水浴鍋中進(jìn)行恒溫水浴加熱至完全融化后，用玻璃棒攪拌均勻。取對應(yīng)量的HDPE、導(dǎo)熱材料加入燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻后放入烘箱加熱1h后拿出，將樣品靜置冷卻后，封裝。

1.6 復(fù)合相變材料的表征

通過差示掃描量熱儀(DSC)測定定型材料及高導(dǎo)熱定型相變材料的相變溫度及相變潛熱的變化規(guī)律。

通過導(dǎo)熱系數(shù)測試儀(DRE-2C)測定定型材料及高導(dǎo)熱定型相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 定型相變材料分析

本次試驗(yàn)設(shè)定復(fù)合定型相變材料中高密度聚乙烯占比分別為10%、20%、30%、40%、50%，60%，根據(jù)1.3泄露試驗(yàn)如圖1所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高密度聚乙烯比例在20%時，在70℃烘箱中加熱2小時后，仍有部分十六醇泄露，當(dāng)高密度聚乙烯比例為30%時，濾紙上沒有十六醇泄露，說明在高密度聚乙烯作為支撐材料比例至少要達(dá)到30%，當(dāng)十六醇發(fā)生相變時才保持材料的形狀，不發(fā)生泄漏。因?yàn)樵诙ㄐ拖嘧儾牧现邢嘧兾镔|(zhì)是十六醇，隨著高密度聚乙烯含量的增加，十六醇含量越來越少，相變潛熱也會減少，鑒于此選擇高密度聚乙烯與十六醇比例為3：7制備的定型相變材料用作后續(xù)試驗(yàn)。通過差示掃描量熱儀(DSC)及導(dǎo)熱系數(shù)測試儀(DRE-2C)測定此時該定型相變材料的相變溫度為53.7℃，相變潛熱為191.7J/g，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3446W/mk，可見該材料相變潛熱較大，但導(dǎo)熱系數(shù)很小，在實(shí)際應(yīng)用中會受到限制。圖1所示：左：聚乙烯含量30%；右：聚乙烯含量20%。

圖1 定型相變材料泄露試驗(yàn)

2.2 膨脹石墨對復(fù)合定型相變材料導(dǎo)熱系數(shù)影響分析

加入高導(dǎo)熱材料使得十六醇中可以自由移動的幫助傳熱的電子得以增加，因此添加導(dǎo)熱材料可以使材料的導(dǎo)熱性能得到提高。本文50目可膨脹石墨由青島騰盛達(dá)碳素機(jī)械有限公司提供，然后在800℃的馬弗爐中，膨脹40s，膨脹倍率為192.52ml/g。

把不同量的膨脹石墨加入合成的定型相變材料中，對導(dǎo)熱系數(shù)的影響通過多項(xiàng)式擬合結(jié)果(其中，x表示膨脹石墨的含量，λ表示導(dǎo)熱系數(shù))，見圖2。從圖可見，隨著膨脹石墨含量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，從擬合的多項(xiàng)式分析，隨著膨脹石墨增加，導(dǎo)熱系數(shù)先增加后減小，有最大值。當(dāng)膨脹石墨含量為4%時導(dǎo)熱系數(shù)為0.7669W/mk，是原來的2.23倍。對膨脹石墨含量為4%的膨脹石墨定性材料DSC分析如圖3，此時的相變溫度為51.3℃，相變潛熱為134.5J/g，比原來都有減少，尤其是相變潛熱減少了29%左右，因此膨脹石墨的增加可以提高導(dǎo)熱系數(shù)，但勢必會引起相變潛熱降低，因此在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況而定。

圖2 膨脹石墨含量與電導(dǎo)率的關(guān)系

圖3 相變溫度及相變潛熱的變化規(guī)律

2.3 納米氧化鋁對復(fù)合定型相變材料導(dǎo)熱系數(shù)影響分析

圖4 納米氧化鋁含量與電導(dǎo)率的關(guān)系

把不同量的納米氧化鋁加入合成的定型相變材料中，對導(dǎo)熱系數(shù)的影響通過多項(xiàng)式擬合結(jié)果(其中，x表示納米氧化鋁的含量，λ表示導(dǎo)熱系數(shù))，見圖4。從圖可見，隨著納米氧化鋁含量的增加，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)納米氧化鋁含量5%時，導(dǎo)熱系數(shù)增加為0.4184w/mk，僅比原來增加0.0738w/mk，對氧化鋁含量5%的納米氧化鋁定型材料DSC分析如圖5，從圖中可以看出相變潛熱卻下降到108.7J/g。究其原因，一方面可能是納米氧化鋁與復(fù)合相變材料相互作用，造成導(dǎo)熱系數(shù)失律；另一方面可能是試驗(yàn)中高密度聚乙烯熔融狀態(tài)下呈膠質(zhì)狀，不易于攪拌，造成材料混合不太均勻。

圖5 相變溫度及相變潛熱的變化規(guī)律

3 結(jié)論

⑴高密度聚乙烯作為支撐材料與十六醇復(fù)合的最佳比例為3∶7，此時，相變材料的相變溫度為53.7℃，相變潛熱為191.7J/g，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.3446W/mk。

⑵膨脹石墨的增加可以明顯提高十六醇/高密度聚乙烯復(fù)合定型相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)膨脹石墨加入量為4%時，導(dǎo)熱系數(shù)增加為原來的2倍，通過二項(xiàng)式擬合可知，導(dǎo)熱系數(shù)并不是隨著膨脹石墨的增加而無限增大，而是會出現(xiàn)最大值。但隨著膨脹石墨含量的增加相變潛熱會降低，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

⑶納米氧化鋁的添加也可增加十六醇/高密度聚乙烯復(fù)合定型相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但是與膨脹石墨相比增加量較小。如當(dāng)納米氧化鋁增加量為5%時，復(fù)合定型相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)才達(dá)到0.4184W/mk，膨脹石墨加入量為5%時，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.8059W/mk，因此，膨脹石墨更適合做十六醇/高密度聚乙烯復(fù)合定型相變材料的導(dǎo)熱添加材料。