徐澤愷,劉昕達(dá),蘭璐璐,孟 霞,李國棟,3*,孔凡功,趙汝和,2*

1.齊魯工業(yè)大學(xué) (山東省科學(xué)院) 生物基材料與綠色造紙國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250353 2.加拿大查韋環(huán)境研究院,溫哥華 V5M4P7 3.山東太陽紙業(yè)股份有限公司,兗州 272100

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提升,人們對辦公、居住環(huán)境內(nèi)熱舒適性的要求越來越高,造成建筑物能耗(空調(diào)、采暖、通風(fēng)等)和溫室氣體(二氧化碳)排放量不斷增加。據(jù)估計,全球建筑能耗約占人類總能耗的30%～40%[1]。為了解決這些問題,人們加快開發(fā)各類清潔能源,廣泛探索新型高效節(jié)能技術(shù)。熱能儲存技術(shù)主要通過顯熱、潛熱和化學(xué)熱三種方式儲存熱量。相比于顯熱和化學(xué)儲熱,相變材料因其儲能容量大、相變溫度恒定和體積變化小等優(yōu)勢,在相變過程中以潛熱的形式儲存和釋放熱量,一定程度上解決了能源利用時空不匹配的矛盾,可以有效提高儲熱系統(tǒng)50%左右的儲能密度,同時減少40%左右的投資成本,被認(rèn)為是最有前途的被動式儲能方法之一,在可持續(xù)能源的利用領(lǐng)域(如節(jié)能建筑[2]、太陽能儲存[3]、電子/電池?zé)峁芾韀4]、空調(diào)系統(tǒng)[5]、生活供暖[6]和余熱回收[7]等)獲得了飛速的發(fā)展。

相變材料根據(jù)組成不同,通?？梢苑譃橛袡C(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料(相變材料的大致分類及其主要相變參數(shù)如圖1所示[8])。有機(jī)相變材料主要包括石蠟、烷烴、脂肪酸和醇類等,大多數(shù)情況下性能穩(wěn)定、成型性好、腐蝕性低、毒性低、成本低。但由于有機(jī)相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)相對較小,且固-液相變過程中易出現(xiàn)泄露問題,在一定程度上制約了其實(shí)際應(yīng)用。無機(jī)相變材料主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽和堿金屬的鹵化物等,在相變過程中一般通過結(jié)晶水的脫出和吸收進(jìn)行能量的儲存與釋放。其優(yōu)點(diǎn)是使用廣泛、價格便宜、導(dǎo)熱系數(shù)大、熔解熱大、單位體積儲熱密度大,在航空、航天、微電子等高科技系統(tǒng)以及房屋節(jié)能等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[9-10]。但其存在兩方面的致命缺陷:一是過冷現(xiàn)象,即物質(zhì)冷凝到“冷凝點(diǎn)”時并不結(jié)晶,而是到“冷凝點(diǎn)”以下一定溫度時才開始結(jié)晶,這影響了熱量的及時釋放和利用。二是“相分離”,即相變材料在逆相變(降溫重結(jié)晶)過程中,沉降到底部的脫水鹽無法與結(jié)晶水再次結(jié)合重新結(jié)晶,使得相變過程不可逆,造成分層現(xiàn)象。過冷和相分離現(xiàn)象會造成相變材料的蓄能效率下降,并縮短其使用壽命。

圖1 相變材料的分類及其主要相變參數(shù)

復(fù)合相變材料一般由相變材料和支撐材料通過混合包埋、物理吸附等方法制作而成,因其在使用過程中能夠保持相變材料的形狀相對固定,避免了液態(tài)流體的生成,故又稱為復(fù)合定型相變儲能材料[11]。復(fù)合相變材料中的相變材料通常為上述提到的有機(jī)或無機(jī)類相變材料,起到儲能和釋能作用；支撐材料也稱為載體基質(zhì),能夠保持相變材料的形狀穩(wěn)定,防止相變材料受熱熔化時發(fā)生液體滲漏。目前,多數(shù)研究主要集中在利用載體材料,例如膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、硅藻土、膨潤土、多孔碳、石墨、膨脹石墨和碳納米管等作為復(fù)合定形相變儲能材料的支撐材料[12-13]。這是因?yàn)樵擃愝d體材料大多具有較大的比表面積,且內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)豐富,能夠產(chǎn)生毛細(xì)作用力吸附并固定相變材料,當(dāng)外界溫度高于相變材料熔點(diǎn)時仍能保持形狀穩(wěn)定,防止其在固-液相變過程中的泄露和相分離的發(fā)生。與前兩種相變材料相比較來說,復(fù)合相變材料由于具有傳熱效率高、過冷度低、無相分離、相變形變小、便于封裝運(yùn)輸、儲能作用穩(wěn)定及使用壽命較長等優(yōu)點(diǎn),近年來在熱能儲存和利用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[14-15]。

農(nóng)作物秸稈指籽實(shí)收獲后余下的纖維含量較高的農(nóng)作物殘留物,具有來源廣、成本低、密度小、孔隙率高、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是建筑應(yīng)用的良好支撐材料[16]。農(nóng)作物秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三部分組成,因其纖維分子中含有大量羥基,通過與相變材料充分混合,可以利用氫鍵、毛細(xì)管力和表面張力等作用將相變材料封裝固定在復(fù)合材料中,防止后者在相變過程中的泄漏。國內(nèi)外已進(jìn)行了較多相關(guān)研究工作,Yang等[17]利用真空浸漬法制備了脫木素纖維與熱至變色化合物組成的復(fù)合相變材料,并將其用于建筑物的保溫系統(tǒng)中,該復(fù)合材料顯示了較高的潛熱值、適宜的溫度變化范圍及優(yōu)異的熱可靠性和熱穩(wěn)定性。YANG等[18]以木質(zhì)纖維素為基材,以石墨烯為增強(qiáng)劑,首先制備了強(qiáng)度較高的纖維素/石墨烯復(fù)合三維材料,然后利用這種材料具有的高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)對相變材料(聚乙二醇)進(jìn)行有效封裝,所得到的復(fù)合材料展現(xiàn)出較高的焓變值和良好的熱穩(wěn)定性。LI等[19]首先以納米纖維素為固體顆粒乳化劑制備了穩(wěn)定的Pickering型石蠟?zāi)z囊乳液,然后通過壓縮處理得到了具有相變性能的纖維板材,有效抑制了石蠟在凍融循環(huán)過程中的泄露問題。

十水硫酸鈉,也稱芒硝,廣泛存在于自然界中,因價格低廉,所含潛熱值高,是一種較為理想的相變材料。與其它無機(jī)相變材料一樣,十水硫酸鈉也存在著過冷和相分離問題。本研究利用十水硫酸鈉為相變主劑,首先通過對其相變行為進(jìn)行調(diào)控,抑制其過冷度的發(fā)生,獲得了相變溫度與人類居住環(huán)境范圍相適宜的多元共晶體；然后以自然界中大量存在的農(nóng)作物(玉米)秸稈為支撐材料,通過對多元共晶體進(jìn)行封裝設(shè)計,構(gòu)建了具有三維微納多級孔道結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料,解決了相變材料在固-液轉(zhuǎn)化過程中的相分離問題。通過對復(fù)合儲能材料的儲熱性能、微觀形貌、化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和耐久性能等進(jìn)行表征,揭示生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的蓄傳熱機(jī)制,為生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的功能化利用提供理論支撐,也為生物質(zhì)固廢資源的高值化利用提供新的思路。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路圖

本研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路如圖2所示。當(dāng)外界溫度較高時,熱能較易透過傳統(tǒng)墻體進(jìn)入室內(nèi),造成建筑物內(nèi)環(huán)境溫度升高,影響居住的舒適度。通過科學(xué)合理的設(shè)計,將秸稈纖維與共晶相變材料構(gòu)筑的生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料融入傳統(tǒng)建筑物墻體內(nèi)層,當(dāng)外界環(huán)境溫度較高時可以儲存熱量,避免室內(nèi)溫度過快升高；當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時可以釋放熱量,增加室內(nèi)溫度,從而有效減緩?fù)饨鐪囟炔▌訉ㄖ幼…h(huán)境的影響,提高居住的適宜度,從而達(dá)到節(jié)約建筑能耗的目的。本研究原料來源廣泛、成本較為低廉、生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品控溫效果好、使用壽命長,可大規(guī)模應(yīng)用于新型節(jié)能建筑物和5G通訊基站中,創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,符合國家利用新技術(shù)和基礎(chǔ)新材料進(jìn)行傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級和新舊動能轉(zhuǎn)換的要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

玉米秸稈(取自山東省濟(jì)南市長清區(qū)),切短至長度1～2 cm,風(fēng)干后儲存待用；

十水硫酸鈉,分析純,天津科密歐化工有限公司；

硼砂,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

氯化鈉,分析純,天津江天化工有限公司；

去離子水,實(shí)驗(yàn)室自制；

差式掃描量熱儀(DSC Q20),美國TA儀器公司；

機(jī)械攪拌器(RW20),德國IKA儀器設(shè)備有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱(FXB101),上海樹立儀器儀表有限公司；

電熱恒溫水浴鍋(HH-11),鞏義市英谷高科儀器廠；

臺式掃描電子顯微鏡(EM-30 PLUS),韓國COXEM庫賽姆公司；

紅外熱成像儀(FLUKE Tis20),美國福祿克測試儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的制備

將6 g長約1～3 cm的玉米秸稈、80 g十水硫酸鈉、3 g硼砂、6 g氯化鈉和20 g水加入到燒杯中,置于60 ℃的恒溫水浴鍋中以100 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30 min,取出后裝入聚乙烯(PE)軟管中,即得到生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料。

1.2.2 生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的表征

采用差式掃描量熱儀測量材料的熱學(xué)性能及熱循環(huán)穩(wěn)定性,升、降溫程序設(shè)置為:10 ℃-60 ℃-10 ℃(5 ℃/min),測試氣氛為氮?dú)鈿夥?；采用掃描電子顯微鏡對樣品的微觀形貌及多級孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,并利用配備的能量色散X射線光譜儀對其進(jìn)行元素分析；采用紅外熱成像儀對材料的蓄傳熱性能進(jìn)行測試,將樣品置于不同的環(huán)境溫度中,實(shí)時觀測并拍攝樣品的顏色變化情況；將相變材料置于恒溫水浴鍋中(10 ℃和50 ℃)進(jìn)行凍熔循環(huán)試驗(yàn),每30 min循環(huán)一次,循環(huán)200次后采用DSC測試樣品的熱循環(huán)穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)基相變儲能材料的可調(diào)控相變行為

相變材料的熱學(xué)性能主要包括相變溫度和相變焓值,前者決定了材料的應(yīng)用環(huán)境,后者決定了材料的蓄熱能力,通過對材料進(jìn)行差式量熱掃描測試,可以得到其相變溫度和相應(yīng)的焓值。圖3為不同原料組成的樣品DSC測試結(jié)果,可以看出純十水硫酸鈉的熔化相變溫度為31.8 ℃,熔化相變峰值溫度為35.3 ℃,相變焓值為208.4 J/g；凝固相變溫度為12.1 ℃,過冷度達(dá)到近20 ℃,這與文獻(xiàn)報道的相關(guān)數(shù)據(jù)基本相一致[20]。加入熔點(diǎn)控制劑(6%的氯化鈉)后,二元共晶混合物的熔化溫度明顯降低到25.1 ℃,凝固溫度增加到14.5 ℃,但其過冷度(10.6 ℃)仍較高,且由于混合物中的十水硫酸鈉所占比例下降,造成材料的整體相變焓值也相應(yīng)減小(190.2 J/g)。

圖3 不同原料組成的DSC測試結(jié)果

為了進(jìn)一步抑制材料的過冷現(xiàn)象,需要添加結(jié)晶促進(jìn)劑(成核劑),提高十水硫酸鈉的重結(jié)晶效率。研究證明,加入與十水硫酸鈉晶型相似的硼砂可有效緩解這種負(fù)面影響[21]。由圖3可以看出,在十水硫酸鈉和氯化鈉二元混合物的基礎(chǔ)上加入3%的硼砂(Borax)后,復(fù)合材料的熔化溫度約為24.9 ℃,凝固溫度明顯增加(達(dá)到21.2 ℃),過冷度降低到3.7 ℃。這可能是由于在十水硫酸鈉的結(jié)晶過程中,硼砂充當(dāng)了成核催化劑的作用,三種鹽類(十水硫酸鈉、氯化鈉和硼砂)形成了凝固點(diǎn)更低的三元復(fù)合鹽共晶體,促進(jìn)了相變材料的結(jié)晶。

無機(jī)相變材料的相分離問題是制約其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因之一,本研究擬借助植物纖維的自組裝作用,構(gòu)筑具有多重孔道的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),抑制相分離的發(fā)生。在三元共晶體中加入一定量的玉米秸稈后(9%),復(fù)合材料的熔化溫度為25.0 ℃,凝固溫度為21.1 ℃,過冷度幾乎沒有發(fā)生變化(3.9 ℃),熔化相變焓值為167.5 J/g(比理論焓值170.9 J/g下降約2%),凝固焓值為92.4 J/g(比理論焓值95.8 J/g下降約3%)。結(jié)果表明,以十水硫酸鈉為相變主劑,通過添加適量熔點(diǎn)控制劑(氯化鈉)、結(jié)晶促進(jìn)劑(硼砂)及支撐材料(植物纖維)得到的生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料,其過冷度較小、相變焓值較高,且相變溫度變化區(qū)間與人類適宜居住的環(huán)境溫度范圍(16～28 ℃)較為匹配。

2.2 生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料多級孔道結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及對其相分離的抑制

在十水硫酸鈉發(fā)生熔融相變的過程中,十水硫酸鈉晶體會生成飽和硫酸鈉溶液和硫酸鈉粒子。由于硫酸鈉粒子的密度(2.68 g/cm3)要遠(yuǎn)高于硫酸鈉飽和溶液的密度(1.35 g/cm3),易于造成固體粒子與飽和溶液的兩相分離,使得相變材料形成三層結(jié)構(gòu),即上層為硫酸鈉稀溶液,中層為十水硫酸鈉晶體,下層為硫酸鈉粒子[22]。在發(fā)生重結(jié)晶時,中層的十水硫酸鈉晶體會進(jìn)一步發(fā)生分離,大部分粒子沉淀到底層,少部分進(jìn)入上層稀溶液。隨著相變次數(shù)的增加,上層稀溶液與下層固體粒子的分離程度不斷加劇,硫酸鈉與十水硫酸鈉之間的動態(tài)相互轉(zhuǎn)化過程被打破,材料失去相變能力和儲能能力。本研究以自然界中大量存在的玉米秸稈為支撐材料,借助植物纖維的氫鍵自組裝作用構(gòu)筑具有三維微納多級孔道結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架,對十水硫酸鈉多元共晶體進(jìn)行封裝固定,實(shí)現(xiàn)對復(fù)合相變材料相分離的有效抑制。

注:a)玉米秸稈纖維；b)生物質(zhì)基儲能材料；c)材料的元素分析

圖4 材料的掃描電鏡圖片

圖4是玉米秸稈纖維的掃描電鏡圖片、生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的微觀結(jié)構(gòu)圖片及其元素分析結(jié)果。由圖4a可以看出,玉米秸稈纖維呈柔軟、疏松的多孔狀(紋孔)結(jié)構(gòu),孔徑約為數(shù)百納米到數(shù)微米(屬于介孔和大孔的范圍)。由于纖維表面帶有大量的羥基,基于氫鍵的自組裝作用會形成具有微米級孔徑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一方面這種獨(dú)特的微納多級孔道結(jié)構(gòu)不僅具有較大的比表面積,為負(fù)載更多的相變材料提供了足夠的空間；另一方面纖維自組裝構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)骨架也為相變材料提供了優(yōu)異的支撐能力和限域作用。由圖4b生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的掃描電鏡圖片可以看出,相變材料(多元共晶體)粒子較為均勻的吸附在纖維表面,無較大的絮體出現(xiàn),纖維原有的紋孔結(jié)構(gòu)已無法看到,說明依靠紋孔的毛細(xì)作用和纖維的表面張力,玉米秸稈能夠?qū)⑾嘧儾牧侠卫蔚匚胶拖拗圃谄涠嗉壙椎篮腿S框架結(jié)構(gòu)內(nèi)。相變材料與玉米秸稈纖維的緊密結(jié)合,促進(jìn)了生物質(zhì)基三維網(wǎng)絡(luò)骨架與十水硫酸鈉分子之間的傳熱路徑,從而有效降低了界面熱阻。結(jié)合圖4c生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的元素分析結(jié)果來看,復(fù)合材料中的各元素組成與原料配比基本相一致,說明制備的材料內(nèi)各元素分布相對較為均勻,使得樣品整體受熱、蓄熱和傳熱過程穩(wěn)定,避免了材料局部溫度變化較大的情況出現(xiàn),保證了復(fù)合儲能材料充分發(fā)揮蓄傳熱能力。

2.3 生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的蓄傳熱性能

為了闡明生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料在蓄傳熱過程中的傳熱特性,實(shí)驗(yàn)采用高清相機(jī)和紅外熱成像結(jié)合技術(shù),對復(fù)合儲能材料的熔化-凝固過程中的蓄傳熱行為進(jìn)行了可視化研究,獲得了材料在相變過程中的溫度分布及其變化規(guī)律。

注:a)實(shí)物圖片；b)低溫環(huán)境下材料的紅外成像圖；c)高溫環(huán)境下材料的紅外成像圖

圖5 生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的實(shí)物及不同溫度下的紅外成像

將生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料裝入PE軟管中,得到樣品的實(shí)物照片如圖5a所示。為了研究復(fù)合材料的蓄傳熱行為,首先將樣品放在室溫(23 ℃)下3 h,待儲存一定熱能后,將其放入低溫為10 ℃的外部環(huán)境中10 min,利用紅外熱成像儀對樣品進(jìn)行拍攝得到圖5b；待樣品溫度降低到與環(huán)境溫度(15 ℃)相一致時,再將樣品放入高溫為40 ℃的環(huán)境中10 min,得到紅外熱成像圖5c。從紅外熱成像的溫度分布圖可以看出,生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料在外界溫度較低時(圖5b),一段時間后仍呈現(xiàn)出鮮紅的顏色,說明材料內(nèi)部依然蘊(yùn)含較多的熱能；在外界溫度較高時(圖5c),一段時間后呈現(xiàn)出淺藍(lán)色,說明材料內(nèi)部仍蘊(yùn)含較多的冷能。這也表明復(fù)合儲能材料內(nèi)部所儲存的能量,在較長時間段內(nèi)仍未完全釋放到外界環(huán)境中。復(fù)合材料內(nèi)部所儲存的熱量這種緩慢釋放過程,可維持外界環(huán)境溫度相對較長時間保持穩(wěn)定。此外,仔細(xì)觀察軟管蓋子和邊緣部位可以看出,該部位顏色深度介于外界環(huán)境和復(fù)合材料填充的樣品之間,反映出該處的溫度也介于兩者之間,這說明復(fù)合相變材料的存在減緩了溫度梯度的變化速率,材料內(nèi)部蘊(yùn)含的熱量能夠均勻的由內(nèi)向外傳遞,熱量的傳遞以導(dǎo)熱為主。

對于無機(jī)相變材料來說,其傳熱機(jī)制主要是晶格振動。來自于晶格振動的聲子,是晶格振動的能量量子[23]。對本研究來說,從微觀層面分析,聲子是生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的主要熱載流子。聲子在三維結(jié)構(gòu)的載體中傳輸,實(shí)現(xiàn)了從微觀尺度到宏觀尺度的轉(zhuǎn)變,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了復(fù)合相變材料與外界間的能量傳遞。生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的三維多級孔道結(jié)構(gòu)為熱量提供連續(xù)的傳輸路徑并增加了聲子傳輸?shù)钠骄杂沙?秸稈纖維與相變材料的緊密吸附(如圖4b所示)減小了兩者之間的界面熱阻。綜合來看,生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的熱傳導(dǎo)依賴于十水硫酸鈉的分子振動、晶格聲子與纖維素晶格聲子共同相互作用來實(shí)現(xiàn)。

2.4 生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的熱循環(huán)穩(wěn)定性

圖6 生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的熱循環(huán)穩(wěn)定性

熱可靠性和熱循環(huán)穩(wěn)定性是相變儲能材料在實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用中必不可少的關(guān)鍵指標(biāo)。利用高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)對生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料進(jìn)行200次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn),得到樣品的DSC曲線如圖6所示?？梢钥闯?經(jīng)過100次冷熱循環(huán)處理后,生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料的融凍潛熱焓值分別從167.5 J/g和92.4 J/g降低到164.1 J/g和90.3 J/g,分別下降了約2.0%和2.3%,過冷度從3.9 ℃增加到4.1 ℃；經(jīng)過200次冷熱循環(huán)后,復(fù)合材料的融凍潛熱焓值分別下降了約2.2%和2.6%,過冷度增加到4.3 ℃。相對來說,復(fù)合材料的潛熱焓值變化較低,過冷度增加不明顯。這驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)所制備的生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料在多次凍融實(shí)驗(yàn)中保持了良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性,表明該材料具有較長的使用壽命和較好的耐久性,在建筑節(jié)能材料領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用前景。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文從十水硫酸鈉的相變行為調(diào)控、生物質(zhì)基載體材料的多級孔道結(jié)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)筑等方面入手,探索了各種相變助劑協(xié)同作用下多元共晶體的相變行為,提出了生物質(zhì)微納多孔結(jié)構(gòu)對相變材料的支撐和限域作用,發(fā)展了以生物質(zhì)基材料為載體的新型復(fù)合相變材料組裝的研究方法,實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料在相變應(yīng)用過程中的綠色集約化,為拓寬生物質(zhì)基材料在清潔儲能材料的應(yīng)用方面提供了新的思路。

1)以十水硫酸鈉為相變主劑,以氯化鈉為熔點(diǎn)調(diào)節(jié)劑,以硼砂為結(jié)晶促進(jìn)劑,以植物纖維為支撐材料,利用簡單的機(jī)械混合法制備了生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料,提出了可滿足節(jié)能建筑需求的新型復(fù)合儲能材料組裝的研究方法,驗(yàn)證了生物質(zhì)基微納多孔材料在儲能材料領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

2)通過對材料相變行為的調(diào)控,得到了滿足人類居住環(huán)境適宜溫度的共晶復(fù)合物,揭示了生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料對多元共晶體的相變限域機(jī)制,纖維素纖維利用氫鍵、毛細(xì)管力和表面張力等作用將相變材料封裝固定在復(fù)合材料的三維骨架結(jié)構(gòu)中,限制了相分離現(xiàn)象的發(fā)生。

3)生物質(zhì)纖維自組裝形成的三維多級孔道結(jié)構(gòu)為熱量提供連續(xù)的傳輸路徑并增加聲子傳輸?shù)钠骄杂沙?纖維與相變材料的緊密吸附減小了兩者之間的界面熱阻。復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)主要由于十水硫酸鈉的分子振動、晶格聲子與纖維素晶格聲子共同相互作用。生物質(zhì)基復(fù)合儲能材料良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性驗(yàn)證了其在新型建筑節(jié)能領(lǐng)域具有優(yōu)異的應(yīng)用前景。