CN111944494B - 膨胀蛭石-石蜡-pam定形相变储能材料的制备方法 - Google Patents

膨胀蛭石-石蜡-pam定形相变储能材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料的制备方法，石蜡/PAM乳液的制备；膨胀蛭石添加到石蜡/PAM乳液中，得到膨胀蛭石‑石蜡‑PAM定形相变储能材料。膨胀蛭石的亲水性较强，同时密度较低，能够作为添加剂添加进石蜡/PAM定形相变材料的机体之中，减少石蜡在材料内部的流动，降低石蜡的泄露量，提高石蜡的利用效率。膨胀蛭石的添加有效的减少了体系石蜡的泄露，提高了石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封效率。膨胀蛭石的添加有效地减少了石蜡地泄露，提高了石蜡的包封效率以及材料的循环稳定性。

Description

膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法
技术领域
本发明涉及有机无机复合相变储能材料技术领域。具体地说是膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法。
背景技术
相变材料作为一种节能材料，能够在相变过程中储存和释放能量，有效的降低建筑物能耗，提高室内的舒适程度，因此得到了人们较多的关注。石蜡作为一种常见的有机固-液相变材料，具有相变潜热高、相变温度较宽、性质稳定且价格较低等优点，在多个领域均得到了广泛的应用。由于石蜡在相变过程中有液相的产生，因此通常需要利用包封材料对其进行包封，制成定形相变材料以防止其泄露。目前，文献报道的石蜡的包封方法有微胶囊法、共混法以及多孔材料包封法等。这些方法通常具有制备工艺复杂、反应时间长、材料强度较低、成本过高或者石蜡包封率不高等缺点。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种包封效率好、材料强度高、工艺简单的膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)石蜡/PAM乳液的制备；
(2)膨胀蛭石添加到石蜡/PAM乳液中，得到膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料。
上述膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，在步骤(1)中：
(1-1)称取聚合单体，交联剂，助乳化剂以及水包油型乳化剂放入圆底烧瓶中，将去离子水加入圆底烧瓶；将圆底烧瓶置入超声清洗仪中超声，直至其中溶质完全溶解，将制备好的水溶液作为水相备用；再称取石蜡置于烧杯中，使其烘箱中熔融，作为油相备用；
(1-2)将溶解好的油相逐渐滴入制备好的水相中，得到水包石蜡乳液。
上述膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，所述聚合单体为丙烯酰胺，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，所述助乳化剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述水包油型乳化剂为吐温85。
上述膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，在步骤(1)中：
(1-1)称取1.2-2.4g丙烯酰胺，0.4g的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.1g聚乙烯吡咯烷酮以及0.1-0.4g吐温85放入100mL圆底烧瓶中，将5mL去离子水加入圆底烧瓶；将圆底烧瓶置入超声清洗仪中超声，直至其中溶质完全溶解，将制备好的水溶液作为水相备用；再称取6-10g石蜡置于50mL烧杯中，使其在45℃烘箱中熔融，作为油相备用；
(1-2)在45℃、1000r/min条件下，将溶解好的油相逐渐滴入制备好的水相中，得到水包石蜡乳液；石蜡滴加完成后，保持45℃、1000r/min搅拌10min，使乳液更加均匀和稳定。
上述膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，在步骤(2)中：
(2-1)膨胀蛭石加入到搅拌中的水包石蜡乳液，使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中；然后加入氧化剂过硫酸铵；
(2-2)分散均匀后，将乳液倒入烧杯中，滴入还原剂N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，快速搅拌均匀后，将烧杯封口放入烘箱中，使丙烯酰胺在过硫酸铵与N,N,N’,N’-四甲基乙二胺的作用下聚合，得到固化好的产物；
(2-3)将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入烘箱中，使产物中多余的石蜡流出，得到膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料。
上述膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，在步骤(2)中：
(2-1)将0-0.75g膨胀蛭石加入到搅拌中的水包石蜡乳液，使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中，加完后继续搅拌3min；然后加入0.03g过硫酸铵；
(2-2)分散均匀后，将乳液倒入50mL烧杯中，滴入3滴N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，快速搅拌均匀后，将烧杯封口放入45℃烘箱中，使丙烯酰胺在过硫酸铵与N,N,N’,N’-四甲基乙二胺的作用下聚合，得到固化好的产物，反应时间为5min，得到固化好的产物；
(2-3)将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入45℃烘箱中，使产物中多余的石蜡流出，得到膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料。
上述膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，膨胀蛭石的尺寸分布为16.07-83.59μm，平均粒径为36.61μm；膨胀蛭石的层间距分布在0.12-2.36μm，平均层间距为0.60μm。
上述膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，
(1-1)称取2.0g丙烯酰胺，0.4g的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.1g聚乙烯吡咯烷酮以及0.3g吐温85放入100mL圆底烧瓶中，将5mL去离子水加入圆底烧瓶；将圆底烧瓶置入超声清洗仪中超声，直至其中溶质完全溶解，将制备好的水溶液作为水相备用；再称取9g石蜡置于50mL烧杯中，使其在45℃烘箱中熔融，作为油相备用；
(1-2)在45℃、1000r/min条件下，将溶解好的油相逐渐滴入制备好的水相中，得到水包石蜡乳液；石蜡滴加完成后，保持45℃、1000r/min搅拌10min，使乳液更加均匀和稳定；
(2-1)将0-0.75g膨胀蛭石加入到搅拌中的水包石蜡乳液，使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中，加完后继续搅拌3min；然后加入0.03g过硫酸铵；
(2-2)分散均匀后，将乳液倒入50mL烧杯中，滴入3滴N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，快速搅拌均匀后，将烧杯封口放入45℃烘箱中，使丙烯酰胺在过硫酸铵与N,N,N’,N’-四甲基乙二胺的作用下聚合，反应时间为5min，得到固化好的产物；
(2-3)将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入45℃烘箱中，使产物中多余的石蜡流出，得到膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1、丙烯酰胺的聚合属于自由基聚合，因此其聚合过程需要使用引发剂进行引发，目前常用引发剂有热引发剂和氧化还原引发剂两种。其中，热引发剂的引发温度和反应时间通常高于氧化还原引发剂。而由于较高的温度通常会影响乳液的稳定性，导致乳液破乳，因此实验选用了引发温度相对较低且反应速率较快的氧化还原引发体系。此外，由于丙烯酰胺的聚合反应在水相中发生，因此所用引发剂还需要具备良好的水溶性。实验最终选用了过硫酸铵作为氧化剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作为还原剂引发丙烯酰胺聚合。
2、膨胀蛭石的亲水性较强，同时密度较低，能够作为添加剂添加进石蜡/PAM定形相变材料的机体之中，减少石蜡在材料内部的流动，降低石蜡的泄露量，提高石蜡的利用效率。膨胀蛭石的添加有效的减少了体系石蜡的泄露，提高了石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封效率。当膨胀蛭石添加量为0.50g时，石蜡的包封率达到最大，为71.05％，此时材料的熔融焓为101.37J/g，结晶焓为94.76J/g，石蜡包封量为6.88g，石蜡的有效利用率为76.44％。膨胀蛭石的添加有效地减少了石蜡地泄露，提高了石蜡的包封效率以及材料的循环稳定性。
3、根据XRD测试可知，膨胀蛭石并未参与反应。因此，膨胀蛭石与石蜡/PAM定形相变材料具有良好的化学相容性。
4、由EVM-0.50的热稳定性测试可知，材料的TG曲线与石蜡/PAM定形相变材料类似，都只有两段质量损失曲线，且在50℃之前没有明显的质量损失。因此，膨胀蛭石的添加并未影响石蜡/PAM定形相变材料的热稳定性。
5、根据EVM-0.50的循环稳定性测试可知，200个热循环之后，添加了0.50g膨胀蛭石的石蜡/PAM定形相变材料的熔融焓降低了1.57％，结晶焓降低了1.68％。与未添加膨胀蛭石的样品相比，相变潜热的下降较少。因此，膨胀蛭石的添加有效地提高了石蜡/PAM定形相变材料的循环稳定性。
6、将石蜡加热熔融后作为内相，丙烯酰胺的水溶液作为外相，制得水包油乳液，再通过乳液聚合的方式，将相变材料石蜡包封在聚丙烯酰胺多孔材料的孔道之中，得到了一种石蜡/PAM定形相变材料。由于丙烯酰胺的玻璃化温度较高，因此得到的石蜡/PAM定形相变材料具备较高的机械强度，能够满足建筑材料的强度需求。同时，由于乳液聚合的反应速率较快，且丙烯酰胺聚合反应的反应温度较低的缘故，石蜡/PAM定形相变材料制备过程能耗也相对较低，这与相变储能材料节约能源的目的形成了有效的结合。实验所用石蜡的相变温度在建筑物正常温度范围内，因此得到的石蜡/PAM定形相变材料能够适用于建筑物的相变储能。
综上可知，膨胀蛭石的添加提高了石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封效率以及循环稳定性，且对材料的热稳定性和化学性质没有产生影响。
附图说明
图1水包石蜡乳液制备过程示意图；
图2石蜡/PAM定形相变材料模型图；
图3石蜡的DSC曲线：(a)熔融过程；(b)结晶过程；
图4不同乳化剂(吐温85)用量的石蜡/PAM定形相变材料的DSC曲线：(a)熔融过程；(b)结晶过程；
图5不同乳化剂用量的石蜡/PAM相变储能材料的石蜡包封率和石蜡包封量；
图6不同石蜡用量的石蜡/PAM定形相变材料的DSC曲线：(a)熔融过程；(b)结晶过程；
图7不同石蜡用量的石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率和石蜡包封量；
图8不同聚合单体质量的石蜡/PAM定形相变材料的DSC曲线：(a)熔融过程；(b)结晶过程；
图9不同聚合单体质量的石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率和石蜡包封量；
图10石蜡/PAM定形相变材料实物图；
图11 a PAM多孔材料扫描电镜图与图11b石蜡/PAM定形相变材料的扫描电镜图；
图12石蜡/PAM定形相变材料、PAM及石蜡的红外谱图；
图13石蜡/PAM定形相变材料的TG曲线；
图14 200次热循环后石蜡/PAM定形相变材料的相变潜热；
图15膨胀蛭石-石蜡/PAM产物模型图；
图16膨胀蛭石的扫描电镜图；
图17膨胀蛭石的(a)粒径分布图(b)层间距分布图；
图18不同蛭石添加量的石蜡/PAM定形相变材料的扫描电镜图；
图19 EVM-0、EVM-0.25、EVM-0.50和EVM-0.75的DSC曲线：(a)熔融过程；(b)结晶过程；
图20不同膨胀蛭石添加量的石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率和包封量；
图21 EVM-0.50的实物图；
图22膨胀蛭石、EVM-0和EVM-0.50的XRD图；
图23 EVM-0.50的TG曲线。
具体实施方式
一、试验原料与试剂
本实施例所用的试剂如表1所示：
表1
Figure GDA0003114721830000061
Figure GDA0003114721830000071
实验所用去离子水均由山东汀兰环保科技有限公司生产的超纯水机制得。
二、实验仪器及设备
本实施例所用到的全部仪器和设备均列于下表2中：
表2
仪器名称 型号 生产厂家
电子天平 FA2004 上海舜宇恒平科学仪器有限公司
超声波清洗仪 KQ5200DE 昆山市超声仪器有限公司
鼓风恒温干燥箱 DHG-9035A 北京陆希科技有限公司
电动搅拌器 EUROSTAR 20 艾卡仪器设备有限公司
数显搅拌恒温磁力油浴锅 HWCL-3 郑州长城科工贸有限公司
冷冻干燥机 SCIENTZ-18N 宁波新芝生物科技股份有限公司
其他所用仪器：圆底烧瓶、烧杯、滤纸、量筒、搅拌桨。
三、实验表征及测试条件
(1)扫描电子显微镜(SEM，Hitachi-S4700，Ltd.，Tokyo，Japan)
用于表征膨胀蛭石的形貌，并根据电镜图利用软件Image J对膨胀蛭石的粒径分布及层间距进行统计。同时，对添加了膨胀蛭石的石蜡/PAM定形相变材料的形貌进行表征，并根据得到的电镜图对其性质进行分析。
(2)差示扫描量热仪(DSC，DSC-214,Netzsch，Germany)
用于测定添加了膨胀蛭石的石蜡/PAM定形相变材料的DSC曲线，并根据曲线得到材料的相变潜热和相变峰位置。测试过程温度变化速率设为10℃/min。
(3)X射线衍射仪(XRD，D/max 2500V/PC，Rigaku，Japan)
对膨胀蛭石、石蜡/PAM定形相变材料和添加了膨胀蛭石的石蜡/PAM定形相变材料进行表征，并以此对膨胀蛭石及石蜡/PAM定形相变材料的化学相容性进行讨论。
(4)热重分析仪(TGA，STA409PC，Netzsch，Germany)
对材料的热稳定性进行测试。测量温度范围为25-500℃，升温速率为0.5℃/min。
四、实验过程及步骤(石蜡/PAM定形相变材料的制备方法与膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法的区别在于是否加入膨胀蛭石)
石蜡/PAM定形相变材料的制备方法实验利用水包油型乳化剂，将熔融后的石蜡分散在丙烯酰胺的水溶液中，制得水包石蜡乳液，再引发丙烯酰胺聚合固化，使石蜡被均匀地包覆在聚丙烯酰胺多孔材料的机体之中，最终得到石蜡/PAM定形相变材料。
4.1石蜡/PAM乳液的制备(如图1所示)
首先，称取1.6g丙烯酰胺(聚合单体)、0.4g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(助乳化剂)以及0.3g吐温85(水包油型乳化剂)加入100mL圆底烧瓶中，再向其中加入5mL的去离子水。将圆底烧瓶放入超声清洗仪中超声，使溶质溶解，形成均匀的溶液，作为水相备用。另外称取9g石蜡在45℃烘箱中熔融，作为油相备用。
在45℃、1000r/min条件下，将油相石蜡逐滴滴入制备好的水相中，石蜡滴加完成后，保持45℃、1000r/min搅拌10min，使乳液更加均匀和稳定；得到水包石蜡乳液。
4.2、膨胀蛭石添加到石蜡/PAM乳液中
10min后，称取一定量的膨胀蛭石加入搅拌中的乳液，使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中，加完后继续搅拌3min。3min后，称取0.03g的过硫酸铵(氧化剂)加入乳液中。分散均匀后，将得到的水包乳液迅速倒入50mL烧杯中，再向乳液中滴入3滴N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(还原剂)，快速搅拌均匀后，将烧杯封口放入45℃烘箱中，使丙烯酰胺聚合固化。
5min后，将固化好的产物取出。将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入45℃烘箱中，使产物中多余的石蜡流出。不断更换滤纸直到滤纸上不再出现湿渍。最终，即可得到形态稳定的膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料。所得产物模型如图15所示。
五、实验结果与讨论
第一部分、石蜡/PAM乳液的性能研究
实验通过制备水包石蜡乳液，使溶于水中的单体丙烯酰胺在引发剂的作用下聚合固化的方式，将有机相变材料石蜡均匀的包封在聚丙烯酰胺多孔材料的机体之中，得到了一种性能良好的定形相变材料。摸索不同的聚合条件对材料石蜡包封率的影响，得到了体系内石蜡包封率最高的产物的配方。接着，对制得石蜡/PAM定形相变材料做了SEM、FTIR、TGA等多项表征，并根据测试结果对石蜡/PAM定形相变材料的各项性质进行了详细地研究和讨论。
5.1.1、石蜡性能表征
实验所采用的石蜡是购买自上海焦耳蜡业有限公司的32号石蜡。使用差示扫描量热仪对所用石蜡的DSC曲线进行测试，所得结果如下图3所示。
根据图3的DSC曲线可以得到，所用石蜡的熔融焓为142.67J/g，结晶焓为138.71J/g。其中，石蜡在熔融过程中于20.07℃以及34.26℃处出现了两个熔融峰，同时在结晶过程中于12.81℃和25.74℃处出现了两个结晶峰。根据文献可以得知，石蜡在固-液相变之外还存在着一个较低温度的固-固相变。因此，石蜡在20.07℃与12.81℃处出现的相变峰为石蜡的固-固相变峰，而在34.26℃与25.74℃处出现的相变峰为石蜡的固-液相变峰。
5.1.2、石蜡/PAM定形相变材料制备条件探索
丙烯酰胺的聚合属于自由基聚合，因此其聚合过程需要使用引发剂进行引发，目前常用引发剂有热引发剂和氧化还原引发剂两种。其中，热引发剂的引发温度和反应时间通常高于氧化还原引发剂。而由于较高的温度通常会影响乳液的稳定性，导致乳液破乳，因此实验选用了引发温度相对较低且反应速率较快的氧化还原引发体系。此外，由于丙烯酰胺的聚合反应在水相中发生，因此所用引发剂还需要具备良好的水溶性。实验最终选用了过硫酸铵作为氧化剂，N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作为还原剂引发丙烯酰胺聚合，聚合反应的反应温度为45℃，反应时间为5min。
由于实验所用石蜡的熔点高于实验室室温，因此需要在加热条件下制备乳液。同时，为了使乳液在制备完成后能够直接开始聚合固化，减少乳液状态的存在时间，尽可能防止乳液破乳，因此最终选择在45℃(反应温度)条件下制备乳液。
乳化剂在乳液制备过程中必不可少，实验选用了吐温85(HLB值为11)作为水包油型乳化剂对体系进行乳化，并对其乳化性能进行了实验研究。实验结果表明，使用吐温85作为乳化剂制得的水包石蜡乳液能够在45℃条件下稳定存在5min以上。因此，吐温85能够满足本实验的乳化需求。
对于乳液聚合而言，乳化剂用量、内相量、聚合单体质量等均会对所得产物的性质造成一定的影响。因此，本部分对以上条件对石蜡/PAM定形相变材料石蜡包封率(石蜡包封率即指定形相变材料中石蜡占总质量的质量分数)的影响，并最终以此为根据讨论得到产物的最佳配方。
(1)乳化剂用量对石蜡包封率的影响(未加入膨胀蛭石)
实验研究了水包油型乳化剂吐温85的用量对石蜡/PAM定形相变材料石蜡包封率的影响。在保证其他条件相同的情况下(未加入膨胀蛭石)，将乳化剂吐温85的量分别变为0.1g、0.2g、0.3g和0.4g(即所用去离子水质量的2％、4％、6％和8％)，做了四组对比实验，并利用差示扫描量热仪对这四组样品的DSC曲线进行了测定，所得测试结果如图4所示。
根据图4中的DSC曲线可以得到样品的相变潜热数据，所得数据如下表3所示：
表3
乳化剂用量/g 熔融焓/(J/g) 结晶焓/(J/g)
0.1 69.92 64.36
0.2 86.06 82.96
0.3 97.25 91.74
0.4 91.98 82.37
纯石蜡 142.67 138.71
石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率可以根据下式(1)计算得出：
Figure GDA0003114721830000111
其中，ΔHm,FSPCMs指定形相变材料的熔融焓，ΔHm,paraffin为纯石蜡的熔融焓，E为定形相变材料的石蜡包封率。此外，根据包封机体质量与石蜡包封率也可计算得到定形相变材料中包封的石蜡质量。因此，计算可得，不同乳化剂用量的样品的石蜡包封率和石蜡包封量如图5所示。
由图5可知，当乳化剂吐温85添加量为0.3g时，样品的石蜡包封率最高。根据文献可知，对于乳液聚合而言，乳化剂的量越多，分散相液滴就越小，最终得到的多孔材料的孔径就越小，对石蜡的吸附能力也越强，使得石蜡的泄露量也越少。因此，在一定范围内，乳化剂吐温85的量越多，石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率就越高。但当乳化剂的添加量增加到一定数量时，多孔材料的孔径过小，导致材料内孔孔壁更易破碎形成通孔，使得孔的完整性遭到了破坏，反而增加了石蜡的泄露。此外，乳化剂用量的增加也造成了定形相变材料中非石蜡物质质量的增加，降低了石蜡的质量分数。上述这两点原因最终导致了石蜡/PAM定形相变材料在吐温85用量为0.4g时石蜡包封率的下降。因此，石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率随着乳化剂用量的增加呈现先增后减的趋势，且当吐温85添加量为0.3g时样品的石蜡包封率最高。
(2)内相石蜡用量对石蜡包封率的影响(未加入膨胀蛭石)
实验研究了内相石蜡用量对石蜡/PAM定形相变材料石蜡包封率的影响。在保证其他条件相同的情况下，改变内相石蜡的用量依次为6g、7g、8g、9g和10g，做了五组对比实验，并利用差示扫描量热仪对得到的样品进行了测定，测得的DSC曲线如下图6所示：
相变潜热如下表4所示：
表4
石蜡用量/g 熔融焓/(J/g) 结晶焓/(J/g)
6 77.72 70.48
7 82.10 71.63
8 90.65 81.96
9 97.25 91.74
10 93.62 82.02
纯石蜡 142.67 138.71
计算可得，以上样品的石蜡包封率和石蜡包封量如下图7所示。
根据图7可知，石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率随内相石蜡用量的增加呈现先增后减的趋势。造成这一现象的主要原因为：当体系内相石蜡的量增加时，聚丙烯酰胺多孔材料的内相孔体积也相应增大，使其能够包封更多的石蜡，因此材料的石蜡包封率在一定范围内随内相石蜡的增加呈逐渐增加的趋势；但与此同时，越来越多的内相使得乳液总体积增加，多孔材料的壁也因此逐渐变薄，孔与孔之间更易出现通孔进而造成石蜡泄露，反而导致了石蜡包封率降低，因此，石蜡的包封率随着石蜡用量的增加呈现先增后减的趋势，且在石蜡用量为9g时达到最大。
(3)聚合单体质量对石蜡包封率的影响(未加入膨胀蛭石)
在保证别的制备条件相同的状况下，使水相中参与聚合反应的聚合单体(即丙烯酰胺)的质量分别为1.2g、1.6g、2.0g和2.4g，做了四组对比试验，以此对聚合单体质量对石蜡/PAM定形相变材料石蜡包封率的影响进行了探索。测得的DSC曲线如下图8所示：
以上样品的相变潜热及石蜡包封率如下表5所示：
表5
聚合单体质量/g 熔融焓/(J/g) 结晶焓/(J/g)
1.2 72.22 65.87
1.6 88.63 83.98
2.0 97.25 91.74
2.4 94.81 86.83
纯石蜡 142.67 138.71
计算可得，以上样品的石蜡包封率和石蜡包封量如图9所示：
由图9可知，随着聚合单体质量的增加，石蜡/PAM定形相变材料所能包封的石蜡质量也在逐渐增加，这一点主要是因为更多的聚合单体使得多孔材料的孔壁更加“致密”，进而减少了石蜡的泄露所导致的。然而，由于材料石蜡包封率＝石蜡包封量/总质量，因此虽然聚合单体质量为2.4g时石蜡的包封量最多，但由于此时材料总质量的增加比例大于石蜡的增加比例，反而导致了石蜡包封率的降低，因此使得石蜡/PAM定形相变材料聚合单体质量为2g时石蜡的包封率最高。
根据以上实验结果可以得知，当乳化剂(吐温85)用量为0.3g，内相石蜡用量为9g，聚合单体质量为2.0g时，制得的石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率最高，为68.16％，此时材料的石蜡包封量为5.14g。该样品在20.97℃和34.28℃处出现熔融峰，在12.49℃和26.45℃处出现结晶峰，同时熔融焓为97.25J/g，结晶焓为91.74J/g。如图10所示石蜡/PAM定形相变材料的实物图。
5.1.3性能表征
(1)石蜡/PAM定形相变材料SEM测试
在保证其余条件不变的条件下，将乳液内相的石蜡替换为同体积的甲苯，制得聚丙烯酰胺(PAM)多孔材料，与石蜡/PAM定形相变材料进行对比。使用扫描电子显微镜对制得的PAM多孔材料与石蜡/PAM定形相变材料进行表征，所得电镜图11a和图11b。石蜡被均匀的包封在了PAM多孔材料的孔道之中，石蜡与包封机体结合紧密。
(2)石蜡/PAM定形相变材料FT-IR测试
使用傅里叶变换红外光谱仪对石蜡/PAM定形相变材料、PAM和石蜡进行测试，所得4000-400cm-1段红外谱图如下图12所示：
在PAM的红外谱图中，3417cm-1、3194cm-1处的吸收峰是由N-H键的伸缩振动引起的，1658cm-1处的吸收峰是由PAM中未完全打开的C＝C的伸缩振动引起。石蜡的红外谱图中，2916cm-1、2852cm-1处的吸收峰是由于石蜡上C-H键的伸缩振动引起的，1738cm-1处的吸收峰是由所用石蜡中含有的不饱和化合物中的C＝O的伸缩振动造成的，725cm-1处的吸收峰是由亚甲基的振动所导致。以上所有吸收峰均能石蜡/PAM定形相变材料的红外谱图中找出，因此，石蜡/PAM定形相变材料将石蜡与PAM成功地结合在了一起。此外，对比可知，石蜡/PAM定形相变材料的红外谱图中包含了石蜡与PAM的红外谱图中的所有峰，同时没有出现新的吸收峰，因此石蜡在制备过程中并未发生化学反应，同时也没有影响丙烯酰胺的聚合。因此，在石蜡/PAM定形相变材料中石蜡与PAM只是单纯的物理结合，相互之间并未发生化学反应，即石蜡与PAM具备良好的化学相容性。
(3)石蜡/PAM定形相变材料热稳定性测试
使用热重分析仪对石蜡/PAM定形相变材料在25-500℃范围内的热重曲线进行测定，所得TG曲线如图13所示。石蜡/PAM定形相变材料在25-500℃范围内存在两段质量损失过程：第一段是120℃到230℃之间，这一段是石蜡的热分解过程；第二段是230-380℃之间，这一段的质量损失主要是PAM的热分解引起的。本文合成的相变储能材料计划用于建筑材料相变储能领域，因而实际使用温度不会超过50℃。根据图13中的TG曲线可以看出，石蜡/PAM定形相变材料在50℃以下没有明显的质量损失，因此，材料在使用温度范围内具备良好的热稳定性。
(4)石蜡/PAM定形相变材料循环稳定性测试
根据文献可知，几乎所有相变储能材料在使用过程中，都会因为各种因素的影响，使得相变潜热逐渐下降，这一点严重的影响了它的使用时长和应用价值。为了使其拥有尽可能长的使用寿命，降低更换频率和应用成本，相变储能材料应当具备良好的循环稳定性。将材料从0℃升温至50℃，再从50℃冷却至0℃这一温度变化过程视为一次热循环，对石蜡/PAM定形相变材料的循环稳定性进行研究和讨论。
将石蜡/PAM定形相变材料在0-50℃范围内做200次热循环，并利用差示扫描量热仪对循环之后材料的相变潜热进行测试，测得结果如图14所示。经过200次热循环之后，石蜡/PAM定形相变材料的熔融焓降至94.91J/g，结晶焓降至89.36J/g。相比200次热循环之前，定形相变材料的熔融焓只降低了2.41％，结晶焓只降低了2.59％(相变潜热的下降主要是因为石蜡/PAM定形相变材料热循环过程中石蜡的少量泄露所导致的)。因此可知，石蜡/PAM定形相变材料在200次热循环之后相变潜热下降较少，具有良好的循环稳定性，拥有较高的研究和应用价值。
第二部分，石蜡/PAM储能材料的总结
本部分采用乳液聚合的方式，将石蜡包封在聚丙烯酰胺多孔材料的孔道内，得到了一种新的定形相变储能材料。实验对石蜡/PAM定形相变材料的制备条件进行了探索和研究，得到了体系内最佳制备条件。同时，对材料进行了SEM、FT-IR以及TGA等表征，并根据表征结果对其性能进行了讨论和研究。所得结论如下所示：
(1)当乳化剂吐温85的量为0.3g，内相石蜡的量为9g，聚合单体质量为2g时，实验制得的石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率最高，为68.16％，此时的石蜡包封量为5.14g。此样品在20.97℃和34.28℃处出现熔融峰，在12.49℃和26.45℃处出现结晶峰，其熔融焓为97.25J/g，结晶焓为91.74J/g。
(2)根据FT-IR测试结果可知，石蜡并未与聚丙烯酰胺发生反应，且没有影响丙烯酰胺的聚合，即石蜡与PAM具有良好的化学相容性。
(3)实验使用热重分析仪测量了样品在25-500℃范围内的TG曲线。根据该曲线可以得知，石蜡/PAM定形相变材料在50℃以下没有发生明显的质量损失。同时，由于此相变储能材料计划用于建筑材料相变储能领域，因而实际使用温度不会超过50℃。因此，石蜡/PAM定形相变材料在使用温度范围内具备良好的热稳定性。
(4)由循环稳定性测试可以得知，200个热循环后，石蜡/PAM定形相变材料的熔融焓下降了2.41％，结晶焓下降了2.59％，下降幅度较小。因此，材料具备良好的循环稳定性。
综上可知，石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封率高，热稳定性和循环稳定性良好，是一种具有良好研究前景的定形相变材料。但同时，需要注意的是，材料在合成阶段共使用了9g石蜡，但最终石蜡/PAM定形相变材料中只包封了5.14g，大量石蜡在制备过程中泄露，石蜡的利用效率较低。因此，仍需寻找一种可靠的方法减少定形相变材料石蜡的泄露量，提高石蜡的利用效率。
由于石蜡/PAM定形相变材料由于聚丙烯酰胺的孔道之间存在部分通孔的原因，大量的石蜡在制备过程中泄露，石蜡的利用效率较低。因此，需要寻找一种方法减少石蜡的泄露，提高石蜡的利用效率。
第二部分、膨胀蛭石加入石蜡/PAM乳液的性能研究
膨胀蛭石由生蛭石片高温处理后得到，在我国新疆、内蒙等地均有大量产出，目前于建筑、农业等多个领域得到了广泛的应用。膨胀蛭石的亲水性较强，同时密度较低，能够作为添加剂添加进石蜡/PAM定形相变材料的机体之中，减少石蜡在材料内部的流动，降低石蜡的泄露量，提高石蜡的利用效率。探索了膨胀蛭石的添加量对石蜡/PAM定形相变材料石蜡包封率的影响，得到了膨胀蛭石的最佳添加量。最后，对得到的新的定形相变材料的性能进行了探讨和研究。结果表明：膨胀蛭石的添加有效地减少了石蜡地泄露，提高了石蜡的包封效率以及材料的循环稳定性。
5.2.1、膨胀蛭石的表征
利用扫描电子显微镜对实验所用膨胀蛭石进行了表征，所得电镜图如下图16所示。
根据图16利用软件Image J对膨胀蛭石的粒径和层间距进行统计，所得结果如图17所示。
由图17可得，实验所用膨胀蛭石的尺寸分布在16.07-83.59μm之间，且平均粒径为36.61μm。同时，膨胀蛭石的层间距分布在0.12-2.36μm之间，且平均层间距为0.60μm。
5.2.2、膨胀蛭石添加量对石蜡/PAM定形相变材料的影响
膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法实验研究了膨胀蛭石的添加量对石蜡/PAM定形相变材料的影响。在第一部分的基础上，在保证其余反应条件均不变的情况下，改变膨胀蛭石的添加量依次为0g、0.25g、0.50g和0.75g，做四组对比实验(将四组样品根据蛭石添加量命名为EVM-0、EVM-0.25、EVM-0.50和EVM-0.75)，并对得到的样品利用扫描电子显微镜和差示扫描量热仪进行测试，所得结果如下。
(1)不同膨胀蛭石添加量的样品的SEM测试
利用扫描电子显微镜对制得的四组样品进行表征，所得电镜图如图18所示：膨胀蛭石分布在石蜡/PAM定形相变材料的机体之中。同时，随着石蜡/PAM定形相变材料中膨胀蛭石添加量的增加，膨胀蛭石的分布密度逐步上升。
(2)不同膨胀蛭石添加量的样品的DSC测试
对不同膨胀蛭石添加量的四组样品的熔融过程和结晶过程使用差示扫描量热仪进行表征，所得DSC曲线如图19所示，DSC曲线可得EVM-0、EVM-0.25、EVM-0.50和EVM-0.75的相变潜热，具体数据在下表6中列出。
表6不同膨胀蛭石添加量的石蜡/PAM定形相变材料的相变潜热
膨胀蛭石添加量/g 熔融焓/(J/g) 结晶焓/(J/g)
0 97.25 91.74
0.25 99.56 93.65
0.50 101.37 94.76
0.75 98.58 93.48
纯石蜡 142.67 138.71
利用以上所得熔融焓对材料的石蜡的包封率进行计算，并根据石蜡包封率和包封机体的质量对相变储能材料内包封的石蜡质量进行衡算，所得结果如图20所示。
由图20可知，石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封量随着膨胀蛭石添加量的增加呈现逐渐增加的趋势，由此可知，膨胀蛭石的添加有效地减少了石蜡的泄露，提高了石蜡的有效利用率(有效利用率＝包封量/最初添加量)。造成这一结果的主要原因是：根据图11b可知，实验制得的石蜡/PAM定形相变材料的孔径多处于2-4μm之间，而膨胀蛭石的尺寸(平均粒径为36.61μm)与材料的孔径相比相对较大。因此，膨胀蛭石的添加有效的阻止了石蜡的孔间流动，进而造成了石蜡泄露量的降低。
同时，由石蜡包封率可知，材料的石蜡包封率随着膨胀蛭石添加量的增加呈现先增后减的趋势，且当膨胀蛭石添加量为0.50g时，材料的石蜡包封率最高，为71.05％。此时材料的熔融焓为101.37J/g，结晶焓为94.76J/g，且在21.27℃和33.19℃处出现熔融峰，在12.90℃和27.19℃处出现结晶峰。这一结果主要是由于膨胀蛭石的添加量从0.50g增加至0.75g时，石蜡包封量的增加比例小于材料总质量的增加比例所导致的。
表7中列出了EVM-0、EVM-0.50和部分文献中的相变储能材料的石蜡包封率。对比可得，本章制得的添加了膨胀蛭石的石蜡/PAM定形相变材料对石蜡包封效率较高，是一种良好的石蜡包封方法。
表7文献中相变储能材料的石蜡包封率
类型 石蜡包封率 文献
石蜡/多孔氧化铝 66.00％
石蜡/碳酸钙微胶囊 56.60％
石蜡/蒙脱石 37.13％
石蜡/膨胀珍珠岩 58.42％
石蜡/氧化亚铜微胶囊 61.61％
石蜡/二氧化硅 60.04％
EVM-0 68.16％ 本文
EVM-0.50 71.05％ 本文
图20为EVM-0.50的实物图。
5.2.3、性能测试
(1)XRD测试
用X射线衍射仪对膨胀蛭石、EVM-0和EVM-0.50进行测试，所得XRD图如图22所示。膨胀蛭石和EVM-0的XRD谱图中的所有衍射峰都可以在EVM-0.50的XRD谱图中找出。因此，膨胀蛭石有效地添加进了石蜡/PAM定形相变材料的机体之中。同时，EVM-0.50的XRD谱图与膨胀蛭石和EVM-0的XRD谱图相比，没有新的衍射峰的出现。由此可知，膨胀蛭石并未与石蜡和丙烯酰胺发生反应生成新的物质，且没有影响丙烯酰胺的聚合。因此，膨胀蛭石与石蜡/PAM定形相变材料具有良好的化学相容性。
(2)热稳定性测试
利用热重分析仪对EVM-0.50的热稳定性进行测试，测得的TG曲线如下图23所示。由图可知，EVM-0.50的TG曲线与未添加膨胀蛭石的石蜡/PAM定形相变材料的TG曲线相似，均只有两段质量损失过程：第一段是120℃到230℃的石蜡的热分解过程，第二段是230-380℃之间的PAM的热分解过程。膨胀蛭石在25-500℃范围内未发生热分解。由此可知，膨胀蛭石的添加并未对石蜡/PAM定形相变材料的热稳定性造成影响，EVM-0.50相比未添加膨胀蛭石的石蜡/PAM定形相变材料仍具有良好的热稳定性。
(3)循环稳定性测试
将EVM-0.50在0-50℃范围内做200次热循环，并利用差示扫描量热仪对循环后的样品在0-50℃之间进行测试：VM-0.50在200次热循环后，熔融焓降为99.78J/g，较循环前下降了1.57％；结晶焓降为93.17J/g，较循环前下降了1.68％。相比未添加膨胀蛭石的石蜡/PAM定形相变材料(200个热循环后熔融焓下降2.41％，结晶焓下降2.59％)，添加了膨胀蛭石的样品在热循环后相变潜热下降比例较低，即循环稳定性更好。造成这一结果的原因同样是因为膨胀蛭石的添加阻止了机体中石蜡的泄露。因此，综上可知，膨胀蛭石的添加对石蜡/PAM定形相变材料循环稳定性的提高有利。
将膨胀蛭石添加进了石蜡/PAM定形相变材料的机体之中，并研究和探索了膨胀蛭石的添加对石蜡/PAM定形相变材料的影响，得到的结论如下：
(1)膨胀蛭石的添加有效的减少了体系石蜡的泄露，提高了石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封效率。当膨胀蛭石添加量为0.50g时，石蜡的包封率达到最大，为71.05％，此时材料的熔融焓为101.37J/g，结晶焓为94.76J/g，石蜡包封量为6.88g，石蜡的有效利用率为76.44％。
(2)根据XRD测试可知，膨胀蛭石并未参与反应。因此，膨胀蛭石与石蜡/PAM定形相变材料具有良好的化学相容性。
(3)由EVM-0.50的热稳定性测试可知，材料的TG曲线与石蜡/PAM定形相变材料类似，都只有两段质量损失曲线，且在50℃之前没有明显的质量损失。因此，膨胀蛭石的添加并未影响石蜡/PAM定形相变材料的热稳定性。
(4)根据EVM-0.50的循环稳定性测试可知，200个热循环之后，添加了0.50g膨胀蛭石的石蜡/PAM定形相变材料的熔融焓降低了1.57％，结晶焓降低了1.68％。与未添加膨胀蛭石的样品相比，相变潜热的下降较少。因此，膨胀蛭石的添加有效地提高了石蜡/PAM定形相变材料的循环稳定性。
综上可知，膨胀蛭石的添加提高了石蜡/PAM定形相变材料的石蜡包封效率以及循环稳定性，且对材料的热稳定性和化学性质没有产生影响。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (5)

1.膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)石蜡/PAM乳液的制备；
(1-1)称取聚合单体，交联剂，助乳化剂以及水包油型乳化剂放入圆底烧瓶中，将去离子水加入圆底烧瓶；将圆底烧瓶置入超声清洗仪中超声，直至其中溶质完全溶解，将制备好的水溶液作为水相备用；再称取石蜡置于烧杯中，使其烘箱中熔融，作为油相备用；所述聚合单体为丙烯酰胺，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，所述助乳化剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述水包油型乳化剂为吐温85；
(1-2)将溶解好的油相逐渐滴入制备好的水相中，得到水包石蜡乳液；
(2)膨胀蛭石添加到石蜡/PAM乳液中，得到膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料；
(2-1)膨胀蛭石加入到搅拌中的水包石蜡乳液，使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中；然后加入氧化剂过硫酸铵；
(2-2)分散均匀后，将乳液倒入烧杯中，滴入还原剂N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，快速搅拌均匀后，将烧杯封口放入烘箱中，使丙烯酰胺在过硫酸铵与N,N,N’,N’-四甲基乙二胺的作用下聚合，得到固化好的产物；
(2-3)将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入烘箱中，使产物中多余的石蜡流出，得到膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料。
2.根据权利要求1所述的膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中：
(1-1)称取1.2-2.4g丙烯酰胺，0.4g的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.1g聚乙烯吡咯烷酮以及0.1-0.4g吐温85放入100mL圆底烧瓶中，将5mL去离子水加入圆底烧瓶；将圆底烧瓶置入超声清洗仪中超声，直至其中溶质完全溶解，将制备好的水溶液作为水相备用；再称取6-10g石蜡置于50mL烧杯中，使其在45℃烘箱中熔融，作为油相备用；
(1-2)在45℃、1000r/min条件下，将溶解好的油相逐渐滴入制备好的水相中，得到水包石蜡乳液；石蜡滴加完成后，保持45℃、1000r/min搅拌10min，使乳液更加均匀和稳定。
3.根据权利要求1所述的膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中：
(2-1)将0-0.75g膨胀蛭石加入到搅拌中的水包石蜡乳液，使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中，加完后继续搅拌3min；然后加入0.03g过硫酸铵；
(2-2)分散均匀后，将乳液倒入50mL烧杯中，滴入3滴N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，快速搅拌均匀后，将烧杯封口放入45℃烘箱中，使丙烯酰胺在过硫酸铵与N,N,N’,N’-四甲基乙二胺的作用下聚合，反应时间为5min，得到固化好的产物；
(2-3)将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入45℃烘箱中，使产物中多余的石蜡流出，得到膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料。
4.根据权利要求1-3任一所述的膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，其特征在于，膨胀蛭石的尺寸分布为16.07-83.59μm，平均粒径为36.61μm；膨胀蛭石的层间距分布在0.12-2.36μm，平均层间距为0.60μm。
5.根据权利要求1所述的膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料的制备方法，其特征在于，
(1-1)称取2.0g丙烯酰胺，0.4g的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，0.1g聚乙烯吡咯烷酮以及0.3g吐温85放入100mL圆底烧瓶中，将5mL去离子水加入圆底烧瓶；将圆底烧瓶置入超声清洗仪中超声，直至其中溶质完全溶解，将制备好的水溶液作为水相备用；再称取9g石蜡置于50mL烧杯中，使其在45℃烘箱中熔融，作为油相备用；
(1-2)在45℃、1000r/min条件下，将溶解好的油相逐渐滴入制备好的水相中，得到水包石蜡乳液；石蜡滴加完成后，保持45℃、1000r/min搅拌10min，使乳液更加均匀和稳定；
(2-1)将0-0.75g膨胀蛭石加入到搅拌中的水包石蜡乳液，使膨胀蛭石均匀的分散在水包石蜡乳液之中，加完后继续搅拌3min；然后加入0.03g过硫酸铵；
(2-2)分散均匀后，将乳液倒入50mL烧杯中，滴入3滴N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，快速搅拌均匀后，将烧杯封口放入45℃烘箱中，使丙烯酰胺在过硫酸铵与N,N,N’,N’-四甲基乙二胺的作用下聚合，反应时间为5min，得到固化好的产物；
(2-3)将产物冷冻干燥后置于滤纸上放入45℃烘箱中，使产物中多余的石蜡流出，得到膨胀蛭石-石蜡-PAM定形相变储能材料。
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