有机储能材料的合成及其应用

有机储能材料的合成及其应用

随着全球经济的高速发展，全球性的能源短缺越来越凸显。近年来，相变储能材料(phase change material,PCM)成为国内外能源利用和材料科学方面研究的热点。相变储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾,因而是提高能源利用率的有效手段。发达国家在推广应用相对比较成熟的储能技术的同时，纷纷投入巨资开发新的储能技术和储能材料，以期不断提高其技术性能、经济性和可靠性。我国也在这方面进行了积极的研究并取得了较大的成果。相变储能材料是指在其物相变化过程中，可以从环境吸收热(冷)量或向环境放出热(冷)量，从而达到能量的储存和释放的目的。利用此特性，在太阳能利用，电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域制造出各种提高能源利用率的设施，同时由于其相变时温度近似恒定，可以用于调整控制周围环境的温度．并且可以多次重复使用。由于相变材料的应用十分广泛，它已成为一种日益受到人们重视的新材料，并已对其开始了实用性试验。本文详细介绍了有机相变储能材料的特点、合成方法以及应用前景。

1有机储能材料的特点及分类：

有机类相变材料常用的有高级脂肪烃类、脂肪酸或其酯或盐类、醇类、芳香烃类、芳香酮类、酰胺类、氟利昂类和多羟基碳酸类等，另外高分子类有聚烯烃类、聚多元醇类、聚烯醇粪、聚烯酸类、聚酰胺类以及其它的一些高分子，其中

典型的有尿素、C

n H

2n+2

、C

n

H

2n

、C

10

H

8

、CFC、PE、PEG、PMA、PA等。一般说来，同系

有机物的相变温度和相变焓会随着其碳链的增长而增大，这样可以得到具有一系列相变温度的储能材料，但随着碳链的增长，相变温度的增加值会逐渐减小。由于高分子化台物类的相变材料是具有一定分子量分布的混台物，并且由于分子链较长,结晶并不完全，因此它的相变过程有一个熔融温度范围。

有机类相变材料具有固体成型好、不易发生相分离及过冷现象、腐蚀性较小、性能稳定等优点。将几种有机物配合成二元或多元相变材料，也可将有机物与无机物复合，从而得到合适的相变温度及相变热，以弥补不足．得到性能更好、更适合于应用的相变材料。目前，为了克服固一液相变储热材料流动性的缺点，出现了一大类形状稳定的固-液相变材料,即在相变时，外形可以保持固体形状，不使其流动。这类材料主要是在有机类(工作物质)储能材料中加入高分子树脂类(载体基质)，如聚乙烯、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯筹，使它们熔融在一起或采用物理共混法和化学反应法将工作物质灌注于载体内制备而得。如以刚性的二醋酸纤维索(CDA)链为骨架，接枝聚乙二醇(PEG)柔性链段，得到有固-固相变性能的网状储能材料，但这类材料存在着储能能力下降，机械性能下降等矛盾。

2有机储能材料的合成方法：

为防止相变储能材料的泄露，必须对其封装，使相变材料发生相变时，其外形保持稳定的形状而不变，才可将相变储能材料用于实际应用。定形技术主要有插层法，微胶囊法，溶胶凝胶法，化学接枝法和熔融／溶液共混法。

2.1插层法

插层法是利用层状无机物作主体，将相变储能材料作为客体插入层状主体中制得复合相变储能材料。利用插层法制备定形相变储能材料是目前研究较多的一种方法，其优点是制备工艺简单、使用方便，缺点是由于插层制备的封装程度和封装

效率较低，因此对使用环境要求相对苛刻。

2.2微胶囊法

微胶囊法(又称微封装法)是将相变储能材料包裹在具有稳定外形的微胶囊内，可直接加工成型，使用安全方便。微胶囊相变储能材料在保持相变储能的优点之外，还极大的弥补了有机相变储能材料热导率低的缺点，因此具有很好的发展前景。

Eun等[4]以乳液聚合的方法制备交联的聚氨酯乳胶粒，再将正十八烷滴加到乳液中，在乳化剂和搅拌器的作用下，正十八烷分散到聚氨酯的交联体系中，从而得到了具有相变储能性能的乳液，可将乳液直接涂到尼龙纤维织物上，这可以很好的改善织物的触摸手感。Chu等[14j利用微胶囊技术制备出恒温胶粘纤维并已申请专利。

2.3溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶法最常见的是硅溶胶对相变储能材料的封装。就是以正硅酸乙酯为前驱体，乙醇为溶剂，在机械搅拌和盐酸的催化作用下，同时发生水解和交联得到硅溶胶，再经陈化过程，形成i维网络结构即得到凝胶。这种三维网络结构形成了具有一定空间和尺寸的“笼结构”。将相变储能材料加入到反应体系中，则相变储能材料能被有效的缚束在“笼结构”中，即使在液体状态下也不易泄漏。该反应条件温和，常温常压下即可制备,因此有很好的发展前景。Deng、吕刚等分别利用该技术研制出热性能稳定的聚乙二醇／二氧化硅和十二醇／二氧化硅复合相变储能材料。

2．4化学接枝法

化学接枝法是一类重要的定形相变储能材料制备方法。其原理是通过高分子反应，将相变储能材料接枝在熔点较高的大分子上，使其失去宏观流动性。利用化学接枝法制得的复合相变储能材料的显著优点是具有很好的热稳定性。材料本身可以直接加工成型，使用简单；缺点是热导系数低，不利于储放热的快速响应；同时作为骨架的大分子，对体系中起储放热作用的支链而言是一种杂质，破坏了支链结晶的完整性，一方面使相变储能材料的相变焓降低，另一方面又使复合材料的结晶在较低温度下就能被破环，相变温度降低。

姜勇等对使用化学接枝法制备固一固相变储能材料进行了一系列大量的研究。他们将具有固一液相变性质的聚乙二醇和作为骨架结构的纤维素材料进行接枝反应。合成出一种具有固一固相变性能的新型纤维素／聚乙二醇相变储能材料。王艳秋等利用化学合成法制备出热稳定提高，热滞后性减小的聚乙二醇／涤纶圊一固相变储能材料，最大相变焓可达112．02J／g。

2．5熔融／溶液共混法

利用相变物质和基体的相容性，溶解在同一种溶剂(或熔融)后混合在一起，制成组分均匀的储能材料，此种方法比较适合制备工业和建筑用低温的定形相变材料。

Sari等一利用溶液共混法制备复合相变储能材料，对一系列的脂肪酸和树脂进行了系统的研究，制备方法是将脂肪酸和树脂分别溶解到氯仿中，再将脂肪酸溶液逐滴滴加到丙烯酸溶液中，在室温下使氯仿挥发即得到定性相变储能材料。并利用红外谱图，DSC曲线等验证了制备的复合材料具有很好的兼容性，热性能，