碳纳米管对相变储能材料的影响

第8卷第24期Vol.8 No.24 2015年12月December 2015

碳纳米管对相变储能材料的影响

倪卓，曾茵茵，戎俊霓，邝子聪，廖俊权

（深圳大学化学与环境工程学院，广东深圳 518000）

摘要：在五水硫代硫酸钠和十四醇中分别加入多壁碳纳米管制备复合储能材料。采用傅里叶红外光谱仪表征材料的化学成分，扫描电子显微镜观察材料的表面形态，差示扫描量热仪（differential scanning calorimeter，DSC）测量材料的相变潜热和相变温度。研究结果表明：碳纳米管与这些相变材料主要以物理方式复合，均匀地分散于储能材料中。碳纳米管对相变材料的相变温度和相变潜热均产生影响，碳纳米管含量越高，复合材料的熔程越窄，相变潜热增大，对温度变化的反应程度升高。这种方法制备的复合材料表现出良好的储能稳定性，可用于储能材料的工程设计。

关键词：复合材料；碳纳米管；相变材料；储热

中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1674-2850(2015)24-2613-08

Effect of carbon nanotubes on phase change materials

NI Zhuo, ZENG Yinyin, RONG Junni, KUANG Zicong, LIAO Junquan

(College of Chemistry and Environmental Engineering, Shenzhen University,

Shenzhen, Guangdong 518000, China)

Abstract: Carbon nanotubes were added to both sodium thiosulfate pentahydrate and myristyl alcohol to prepare composite phase-change energy storage materials. Chemical constituents and surface morphology of these materials were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy and scanning electron microscope respectively while latent heat and phase change temperature were tested through differential scanning calorimeter (DSC). The results showed that the carbon nanotubes and the phase change materials were well mixed in a physical way and dispersed in the composite materials evenly. The addition of carbon nanotubes had an effect on the phase change temperature and heat-storage for those materials. The higher the content of carbon nanotubes, the narrower the melting process of the composites, the higher of the latent heat and the sensitivity of the composites. The composites prepared in this study has a good storage stability, which can be used for designing energy storage materials.

Key words: composite materials; carbon nanotubes; phase change materials; heat-storage

0引言

相变材料（phase change materials）或相变储能材料是指随温度变化而发生状态转变并在过程中吸收或释放潜热的物质。在固-液相变时相变材料的储能密度高、性能稳定且性价比合适，能够应用于储能技术领域[1~2]。根据组成，相变材料一般可分为有机化合物、无机化合物和有机-无机复合相变材料。近年来，对相变储能材料的研制已经从无机向有机、从单一成分向复合材料、从宏观向纳米/微胶囊化的方向延伸。相变材料的微胶囊化、功能储能流体等及其在建筑、太阳能等领域的应用引起了广泛关注[3~4]。

固-液相变的材料易渗出流失，因此需要对相变材料进行定型处理，碳纳米管对相变材料具有吸附定型作用[5]。碳纳米管可看成石墨薄片沿固定矢量方向卷曲360°而成的封闭管。按照管壁层数，碳纳米管

基金项目：国家自然科学基金（51378315）；深圳市科学技术研究与发展基金资助项目（JCYJ20130329114709152）

作者简介：倪卓（1963—），男，教授，主要研究方向：储能、自修复. E-mail: zhuoni@

2015年12月中国科技论文在线精品论文2614

分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管是单层石墨片卷曲而成的空心圆柱体，而多壁碳纳米管由一组同轴单壁碳纳米管构成[6]。碳纳米管是优良的导热材料，通过超声波传递热能，且只能沿一维方向传递热能。碳纳米管的热学性能不仅与组成它的石墨片本质相关，而且与其独特的结构和尺寸相关[7]。碳纳米管由碳原子构成，密度与有机物的密度较为接近，易与有机基体形成稳定的复合物，通过将碳纳米管添加到有机基体中可以提高其导热性能[8~9]。目前该领域存在的问题是无机水合盐作为相变材料会出现过冷和相分离的现象以及碳纳米管发生团聚作用，因此，改善碳纳米管在储能材料中的分散性和稳定性以及解决过冷和相分离问题是该领域研究的重要方向。

这里使用超声分散，添加表面活性剂的方法对羟基化的多壁碳纳米管进行分散，形成碳纳米管稳定分散液，制备五水硫代硫酸钠-碳纳米管复合材料和十四醇-碳纳米管复合材料。利用碳纳米管的内部微孔以及分子间作用力和表面张力的作用[10]，有效地封装易泄露的固-液相变材料，制备稳定性好，储能效果好的相变储能材料，并对其微观形貌、化学组成进行表征，研究制备条件及碳纳米管对相变储能材料热性能的影响。

1实验部分

1.1 原料

五水硫代硫酸钠，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；十四醇，分析纯，阿拉丁试剂网产品；十二烷基苯磺酸钠，分析纯，天津百世化工有限公司；乙醇，分析纯，广州市海珠化学试剂有限公司；多壁碳纳米管，内径＞50 nm，纯度＞95%，中国科学院成都有机化学有限公司。

1.2 碳纳米管复合材料制备

1.2.1 五水硫代硫酸钠-碳纳米管复合材料的制备

在250 mL烧杯中加入50 mL蒸馏水和0.2 g表面活性剂，搅拌溶解后加入0.5 g碳纳米管。将烧杯放入超声波清洗器中超声，使碳纳米管在溶液中分散均匀。每超声10 min将烧杯拿出冷却1 min以防止溶液温度过高，重复上述操作3次。用玻璃棒沾取少量分散液滴至清水中，观察其分散程度。如观察到碳纳米管分散液如一滴墨水落入水中，在水中迅速均匀扩散开，则分散性良好。

取另一个250 mL烧杯，加入49.5 g五水硫代硫酸钠和50 mL蒸馏水，水浴加热溶解。加入碳纳米管分散液，超声分散20 min，静置。用旋转蒸发仪蒸发水分，得到碳纳米管含量为1%（质量分数）的五水硫代硫酸钠复合材料。按照上述操作方法，制备碳纳米管含量为2%（质量分数）的五水硫代硫酸钠复合材料。

1.2.2 十四醇-碳纳米管复合材料的制备

用电子天平称取0.5 g碳纳米管于50 mL乙醇中，将烧杯放入超声波清洗器中超声，使碳纳米管在乙醇中分散均匀。每超声10 min将烧杯拿出冷却1 min以防止乙醇温度过高，重复上述操作3次。用玻璃棒沾取少量分散液滴至清水中，观察其分散程度。如观察到碳纳米管分散液如一滴墨水落入水中，在水中迅速均匀扩散开，则分散性良好。

取另一个250 mL烧杯，加入49.5 g十四醇和50 mL乙醇，搅拌溶解后加入碳纳米管分散液，超声分散20 min，静置。用旋转蒸发仪蒸发乙醇，得到碳纳米管含量为1%（质量分数）的十四醇复合材料。按照上述操作方法，制备碳纳米管含量为2%（质量分数）的十四醇复合材料。

1.3 表征与测试

将材料样品分别与溴化钾混合研磨压片。采用日本岛津公司IRAffinity-1傅里叶变换红外光谱仪，对