有机相变蓄冷材料中碳纳米管添加剂性能实验研究.pdf
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1、第2 6卷第2期 2 0 1 2年 2月 化工时刊 Ch e mi c a l I n d u s t r y Ti me s V o 1 2 6,No 2 F e b 2 2 0 1 2 d o i:1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 21 5 4 X 2 0 1 2 0 2 0 0 3 有机相变蓄冷材料 中碳纳米管 添加剂性能实验研究 孙 甲朋 周孝清 吴会军(广州大学建筑节能研究 院,广东省建筑节能与应用技术重点实验室,广东 广州 5 1 0 0 0 6)摘要针对有机相变蓄冷材料导热系数低、传热性能差的缺点,采用向其中添加碳纳米管,通过超声分散法及添加 分散剂制备稳定
2、分散液来改善其导热性能。对分散剂的种类、碳纳米管的质量浓度、超声时间和分散剂的浓度对碳 纳米管分散稳定性的影响及添加碳纳米管对导热性能的影响进行了实验研究。研究结果表明,分散剂对碳纳米管悬 浮液的稳定性具有关键作用,十二烷基苯磺酸钠(S D B S)是一种比较理想的分散剂,碳纳米管稳定分散悬浮液的最佳 制备条件为:碳纳米管质量浓度0 4 L;分散剂 S D B S 质量浓度0 2 g L;超声时间8 0 mi n。通过在有机相变蓄冷材料 加入碳纳米管可以有效增大其导热系数。关键词 有机相变蓄冷材料碳纳米管分散剂 强化导热 Ex p e r i me n t a l St ud y o n t
3、h e Pe r f o r ma nc e o f Or g a n i c Ph a s eCh a n g e Co l d S t o r a g e M a t e r i a l wi t h Ca r b o n Na n o t u b e Ad d i t i v e s S u n J i a p e n g Z h o u Xi a o q i n g Wu H u i j u n (A c a d e m y o f B u i l d i n g E n e r g y E ffic i e n c y o f G u a n g z h o u U n i v e
4、r s i t y,G u a n g d o n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o f B u i l d i n g E n e r g y E ff i c i e n c y a n d A p p l i c a t i o n T e c h n o l o gy,G u a n g d o n g G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6)Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e s h o r t c o mi n g s o f l o w t h e
5、 r ma l c o n d u c t i v i t y a n d p o o r h e a t t r a n s f e r p e r f o r ma n c e o f the o r g a ni c p h a s ec ha n g e c o l d s t o r a g e ma t e r i a l,s t a bl e c a r b o n n a n o t u b e s u s p e n s i o n wa s p r e p a r e d u s i n g u l t r a s o u n d d i s p e ki n g me t
6、 h o d a n d a d di n g d i s p e r s a n t t o i mp r o v e t h e h e a t c o n d u c t i o n pe r f o rm a n c e Ex p e r i me n t a l s t u d y o n t h e e f f e c t s o f t h e t y p e o f d i s p e r s a n t s,c a r b o n n a n o t u b e ma s s c o n c e n t r a t i o n,u l t r a s o n i c t i
7、me a n d d i s p e r s a n t ma s s c o n c e n tr a t i o n o f c a r b o n n a n o t u b e di s p e r s i o n s t a bi l i t y a nd the e ffe c t o f a d d i n g c a r bo n n a n o t u b e o n the r ma l c o n du c t i v i t y e n h a n c e me n t w a s t a k e n i n thi s p a p e r T h e r e s u
8、l t s o f the s t u d y s h o w tha t,d i s p e r s a n t p l a y s a k e y r o l e o n c a r b o n n a n o t u b e s s u s p e n s i o n s t a b i l i t y,a n d the s o d i u m d o d e c y l b e n z e n e s u l f o n a t e(S D B S)i s a n i d e a l d i s p e r s a n t T h e o p t i m a l p r e p a
9、r a t i o n c o n d i t i o n s f o r c a r b o n n a n o t u b e s d i s p e r s e d s u s p e n s i o n a r e:c a r b o n n a n o t u b e ma s s c o n c e n t r a t i o n o f 0 4 g L;d i s p e r s a n t ma s s c o n c e n tr a t i o n o f S DB S 0 2 g L;u l t r a s o n i c t i me o f 8 0 mi n T h
10、e c a r b o n n a n o t u b e a d d i t i v e s c a n e ff e c t i v e l y i n c r e a s e t h e c o e ffic i e n t o f h e a t c o n d u c t i v i t y o f t h e o r g a n i c p h a s ec h a n g e ma t e r i a l for c o l d s t o r a g e Ke y wo r d s o r g a n i c p h a s ec h a n g e c o l d s t o
11、 r a g e ma t e r i a l c a r b o n n a n o t u b e d i s p e r s i o n t h e r ma l c o n d u c t i v i t y e n h a n c e me n t 伴随着我国经济的高速发展和城市化水平 的不 断提高,空调系统在现代建筑 中的应用越来越普及,空调耗能也随之剧增,导致出现严峻的电力供应紧张 及峰谷电力不平衡,解决此问题的一个重要策略就是 收稿 日期:2 0 1 2一O 11 O 作者简介:孙 甲朋(1 9 8 7一),男,硕 士生,研究方 向为高温相变蓄冷材料。通讯作 者:周孝清(1 9
12、 6 4),男,教授,研究方 向:暖通空调、建筑节能。一9 一 置衄2 0 1 2 V o 1 2 6,N o 2 科 技 进 展(A d v a n c e s in S c ie n c e&T e c h n o lo g y)采用蓄冷式空调系统。相变蓄冷是利用介质 的相变潜热进行冷量储存 的一种蓄冷方式,目前常用 的相变蓄冷材料主要包括 无机物和有机物两大类,绝大多数无机物相变蓄冷材 料有腐蚀性,且在相变过程中具有过冷和相分离的 缺点,影响了其蓄冷能力。有机类相变蓄冷材料主要包括石蜡、脂肪酸、多 元醇、高级烷烃等。其优点是 固体状态成型性好、一 般不容易出现过冷现象和相分离现象;缺点是
13、导热系 数小、密度较小、单位体积的储热能力较小等,针 对有机相变材料的低导热系数,强化换热技术是必需 的。目前,提高导热系数常采用的措施是在相变材料 中添加金属 基 J、金 属粉末 J、石 墨粉 以及碳纤 维 等来增强导热能力。虽然这些高导热系数的添 加物会强化蓄能系统的传热,但 由于其 固体颗粒大、密度高使其在液态条件下的蓄冷介质中极易发生沉 淀,从而导致无法起到强化传热的效用。自从 1 9 9 5年美 国 A r g o n n e国家实验室 的 C h o i 等【6 提出了纳米流体 的概念,即以一定 的方式 和比 例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子,以形 成新的强化传热工质以后,
14、研究者们就开始尝试用纳 米粒子来提高相变材料的导热性能。N g u y e n等研 究了纳米流体的性质和传热性能的提高,添加 6 8 的纳米粒子,导热系数可提高 4 0。相 比于其他 纳 米粒子,碳纳米管 以其独特的结构形态和良好的性能 引起了人们 的关 注,其具有极高的导热系数(3 0 0 0 W m K),是用作相变材料 添加 剂的优 良选择【8 j。但由于碳纳米管表面缺 陷少,缺乏活性基 团,在各种 溶剂中的溶解度都很低,存在分散性能差以及与其他 材料的相容性差等问题。另外,碳纳米管之间存在较 强的范德华引力,加之其巨大的比表面积和很高的长 径比,使其形成团聚或缠绕,严重影 响了它的应
15、用 J。因此,如何控制碳纳米管的团聚已成为碳纳 米管纳米流体强化传热前期工作的首要问题。王栋 等【l 通过实验研究了影响碳 纳米管分散的因素,发 现超声震荡可抑制碳纳米管的团聚,同时添加适量的 十二烷基硫酸钠(S D S)或十二烷基苯磺酸钠(S D B S)则可以使其分散得更好。郝素梅等u 研究了几种典 型类型的表面活性剂:十二烷基苯磺酸钠(S D B S)、十六烷基三 甲基溴化铵(H T A B)及乳化剂 O P对碳纳 米管在水中分散稳定性的影响。发现非离子型表面 一1 O 一 活性剂乳化剂 O P作为分散剂时碳 纳米管纳米 流体的稳定性最好。刘宗建等 12 研究了在乙二醇水 溶液 中加人不
16、 同类型 的阳离子、阴离子、非离子型 等表面活性剂对碳纳米管分散性的影响,结果表明,H T A B及 O P分散效果最好。研究表 明,通过添加适 当类型的分散剂可以提高碳纳米管在液态材料 中的 分散稳定性。本文针对 已研制 的空 调用有机相 变蓄冷 材料 D C 导热系数低、传热性能差 的缺点,向其 中添加 碳纳米管,采用超声分散法和添加分散剂制备碳纳米 管的稳定分散体系,对分散剂的种类、碳纳米 管的质 量浓度、超声时间和分散剂的浓度对碳纳米管分散稳 定性的影响及添加碳纳米管对导热性能的影响进行 了实验研究。1 1 实验材料 多壁碳纳米管,直径为 1 O一 3 0 n m,长度为 l 0 2
17、0 m,北京市德科岛金科技有限公司;已研制的某 空调用有机相变材料 D C,该材料相变温度 1 0 5 C,相变潜热为 1 6 1 5 k J k g,常温下为液体。选用的分散剂:油酸,A R;司班2 0(山梨糖醇酐 单月桂酸酯),C P;司班 8 O(失水山梨醇油酸酯),C P;吐温 8 O(聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯),C P;硬 脂酸,A R,;单硬脂酸甘油酯(单甘油酯),A R;聚乙 二醇 6 0 0(P E G 6 0 o),C P;聚乙二醇 4 0 0 0(P E C 4 0 0 0),C P;聚乙二醇 6 0 0 0(P E G 6 0 0 0),C P;十二烷基苯磺 酸钠(S
18、D B S),C P。1 2实验仪器 紫外可见分光光度计,U V 1 6 0 0,北京瑞利分析仪 器公司;H o t d i s k 热物性分析测试仪,T P S 1 5 0 0,瑞典。1 3实验方法 1 3 1 碳 纳米管复合 有机相 变蓄冷材料 悬浮液的 制备 碳纳米管复合有机相变蓄冷材料,即将纳米粒子 在有机相变蓄冷介质溶液中分散并形成稳定 的纳米 悬浮液。由于是将纳米粒子分散到液相中,所 以这种 纳米复合材料也称为纳米流体。本文采用两步法,将碳纳米管加入基液 D C中,经过搅拌混合和超声波 振荡,获得碳纳米管的悬浮液。1 3 2 碳纳米管在 有机相 变蓄冷材料 中分散稳定 孙甲朋等有机
19、相变蓄冷材料中碳纳米管添加剂性能实验研究 2 0 1 2 V o 1 2 6,N o 2 性 的 测 定 碳纳米管悬浮液的分散性可通过静置、法l及紫外 可见光光谱吸光度法定量地表征分散体系中悬浮的 碳纳米管浓度。根据实验要求在基液 中添加一定量 的碳纳米管和分散剂,经过一定时间的搅拌混和和超 声波振荡,获得均匀 的悬浮液,静置 观察纳米粒子沉 降情况,在重力作用下,随着静置时间的增长,若悬浮 体系分散的不好,颗粒会聚集沉降,上层逐渐变清,底 部出现沉淀。取静置不同时间后 的上层清液采用紫 外可见分光光度计 U V 1 6 0 0测量其在波长为 5 4 0 n m 下的吸光度,以此表征悬浮液 中
20、碳纳米管的浓度及分 散体系的分散效果,吸光度越大,则表示悬浮粒子浓 度越大;吸光度变化越小,则表示分散体系越稳定。1 3 3 碳 纳米管复合有机 相 变蓄冷材料 的导热性 能 测定 采用 Ho t d i s k热物性分 析测试仪对碳 纳米管复 合有机相变蓄冷材料 的导热 系数进 行测量,在测试 时间内,探头的阻值变化将被记录下来,基于阻值 的 大小,建立起测试期间探头所经历 的温度随时问变化 关系,从而得到纳米 流体的导 热系数。实 验 中采用 C 5 4 6 5云母探头,直径 为 3 1 8 9 mm,输 出功率为 3 O m W,测试时间为 2 0 s。将 H o t d i s k 探
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