摘 要：為了分析不同環(huán)境下硝酸鹽微膠囊復合材料的儲熱性能變化，本文制備了微膠囊和相變儲熱復合材料，并進行基礎儲熱測試比較。根據(jù)表征測試計算可控溫度差值，測定基礎導熱系數(shù)和導熱率標準；比較MCPCM復合材料斷面形態(tài)變化，分析熱重情況，并計算復合材料導熱率。結果表明，在4個測試周期內(nèi)，在35℃～55℃、55℃～70℃和70℃～95℃溫度變化下，復合材料導熱率均＞65%?？梢姀秃喜牧蠈崧孰S溫度升高和微膠囊數(shù)量增多而增強，儲熱性能越好；反之，導熱率降低，儲熱性能越差。表明溫度與微膠囊數(shù)量對復合材料儲熱性能有顯著影響，為其在不同環(huán)境下的應用提供了理論基礎。

關鍵詞：硝酸鹽；微膠囊；相變儲熱；復合材料；儲熱性能

中圖分類號：TQ 317" " 文獻標志碼：A

相變材料（Phase Change Materia，PCM）能夠在幾乎恒定的溫度下吸收或釋放大量潛熱，因此備受關注。硝酸鹽類相變材料具有相變潛熱較高、相變溫合適的以及熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性良好的特性，是中高溫相變儲能領域的優(yōu)選材料。但是，現(xiàn)階段，硝酸鹽的液態(tài)泄露問題、與封裝材料的相容性差以及熱導率不高等問題限制了其實際應用推廣。為了解決上述問題，本文將硝酸鹽相變材料封裝于微膠囊中，形成硝酸鹽微膠囊相變儲熱復合材料，結合實際需求，提出對硝酸鹽微膠囊相變儲熱復合材料進行儲熱性能的分析與實踐研究。相變儲熱復合材料不僅能夠有效防止相變材料泄露，提高系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，而且能通過調(diào)整微膠囊的結構和成分，優(yōu)化其熱導性能和儲能效率。本文結合微膠囊技術實現(xiàn)了相變材料的多功能化，更好地強化材料的機械強度、耐腐蝕性等，在不同條件下凸顯熱響應的特性，為開發(fā)高效、安全和環(huán)保的硝酸鹽基相變儲能系統(tǒng)提供理論依據(jù)和技術支持。

1 試驗準備

1.1 材料準備

本文針對硝酸鹽微膠囊相變儲熱復合材料儲熱性能的分析需求，進行測試材料的設定和部署。主要的測試材料為滴入苯乙烯、偶氮二異丁腈溶液和硝酸鹽原料，進而設置所應用的藥品和輔助材料，見表1。

完成對測試材料及輔助溶劑的設定后，進行試驗設備的設定[1]。

1.2 基礎布置

硝酸鹽的溶解過程需要嚴格控制溶解條件。將硝酸鹽緩慢加入40mL去離子水中，邊加邊攪拌，保證形成均勻的硝酸鹽溶液。攪拌速度應適中，以避免產(chǎn)生過多的氣泡，影響溶液均勻性[2]。溶解溫度控制在室溫下即可，注意避免陽光直射，導致溶液溫度升高。

在微膠囊壁材樣本溶液的配制中，將高分子聚合物緩慢加入15mL乙醇中，邊加邊攪拌，保證聚合物完全溶解[3]。在該過程中，乙醇的選擇應考慮其揮發(fā)性適中，便于后續(xù)干燥處理。溶解溫度可以適當提高，但是不應超過聚合物的耐熱溫度，以免發(fā)生降解。

在干燥處理過程中，需要將制備好的硝酸鹽溶液和微膠囊壁材溶液進行混合，采用噴霧干燥或真空干燥等方法去除溶劑。在噴霧干燥過程中，需要控制進口溫度和出口溫度，保證溶劑完全去除且材料不被破壞。在真空干燥過程中，需要控制真空度和溫度，以達到去除溶劑的目的。干燥后的材料需要進行篩分，得到粒徑均勻的測試樣品，篩分孔徑的選擇應根據(jù)試驗需求確定。

將可控溫的電加熱爐或熱板提前預熱至設定溫度范圍（45℃～60℃），并保持穩(wěn)定。溫度傳感器的布置應考慮微膠囊復合材料的分布，保證能夠?qū)崟r監(jiān)測到不同位置的溫度變化[4]。同時，溫度傳感器需要定期校準，以保證測量結果的準確性。

選擇耐高溫、導熱系數(shù)低的材料作為絕熱層，例如石棉、陶瓷纖維等[5]。絕熱層的厚度根據(jù)試驗需求確定，以保證保絕熱的穩(wěn)定且無安全隱患。

2 試驗過程與結果

硝酸鹽相變微膠囊的制備過程包括3個階段。

階段一，制備硝酸鹽溶液。選擇硝酸鈉作為相變核心材料，準確稱取預定量的硝酸鈉，并溶解于適量的去離子水中，加熱并攪拌，以保證硝酸鈉完全溶解，形成均勻的硝酸鹽溶液[6]。選擇高分子聚合物作為壁材，準確稱取預定量的高分子聚合物，并溶解于適宜的溶劑中，制備成壁材溶液。在乳化-交聯(lián)法的實施過程中，將硝酸鹽溶液作為水相，壁材溶液作為油相，利用高速攪拌或超聲波處理形成穩(wěn)定的乳液[7]。選擇高速攪拌的方式，并嚴格控制攪拌速度和時間，以保證乳液能夠均勻分散并保持穩(wěn)定。同時，在溶液中滴入適量的苯乙烯和偶氮二異丁腈溶液，將二者作為交聯(lián)劑和引發(fā)劑。在滴加過程中，邊滴邊加溫，并嚴格控制加溫和滴加速度，以保證交聯(lián)反應能夠順利進行，并形成穩(wěn)定的微膠囊結構。分3個階段記錄溫度差值，見表2。

在增溫過程中，將降溫度和溫差控制在該范圍內(nèi)，以45℃為初始溫度，當溫度升至85℃時，需要測定可控的溫度差值，將其作為比較標準。在一般情況下，可控的溫度差需要控制在2～4℃。當升溫至95℃以上時，會出現(xiàn)熟化現(xiàn)象，并且聚合的時間降至85min～90min，形成的微膠囊粒徑均勻且壁材能緊密包裹相變材料，并同時得到白色的微膠囊球形顆粒。當降溫至25℃時可以慢慢停止攪拌，過濾出料。靜置10min后，需要使用乙醇和蒸餾水各洗滌2次，自然風干，完成對相變微膠囊的制備。在該基礎上，還需要進行相變微膠囊復合材料的制作。

階段二，基于硝酸鹽相變微膠囊的制備情況，進行相變微膠囊復合材料的制備處理。將苯乙烯單體與偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑，細致地進行攪拌操作，保證反應物混合均勻。在測試的溶液中通入氮氣，形成惰性氣體環(huán)境。將此時的溶液進行加溫處理，使其逐步升至85℃，在溫度條件下進行靜置反應35min～40min，其間嚴密監(jiān)控，保證單體轉化率穩(wěn)定在7%～15%的理想范圍內(nèi)。進而對測試材料中的微膠囊數(shù)量變化情況進行研究。在當前溶液中加入預先計量好的MCPCM（微膠囊化相變材料），持續(xù)攪拌約20min后，相變材料會在聚合物基體中均勻分散。需要注意的是，攪拌時間需要進行周期性控制，見表3。

當預聚混合物的制備達到預定階段，即停止加熱并讓其自然冷卻至35℃時，表明混合物已初步穩(wěn)定，此時應適時終止攪拌。該步驟保證了混合物中的各組分能夠均勻分布且初步固化，為后續(xù)成型打下堅實基礎。進而將精心處理過的聚合物緩緩導入預先準備好的模具中。根據(jù)最終產(chǎn)品的形狀、尺寸和性能要求進行模具的選擇與設計，以保證制品的精確度和一致性。在倒入聚合物的過程中，需要特別注意避免引入氣泡，避免影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能?？梢圆捎幂p敲模具或利用真空設備來有效排除氣泡，保證聚合物填充緊密且均勻。將裝滿預聚物的模具小心移入恒溫烘箱中。在40℃的溫和條件下，進行長達24h的進一步聚合處理。該步驟是促使體系逐漸凝固定型的關鍵，控制溫度和時間，可以保證聚合物分子間充分交聯(lián)，形成穩(wěn)定且性能優(yōu)異的MCPCM復合材料。聚合過程完成后，將制品在烘箱中自然冷卻至室溫。該步驟有助于減少因溫度急劇變化而產(chǎn)生的內(nèi)應力，從而保護制品的完整性和性能。冷卻后，取出成型良好的MCPCM復合材料制品，進行徹底清洗。清洗的目的是去除表面可能殘留的未固化聚合物、雜質(zhì)或其他污染物，以保證制品的純凈度和外觀質(zhì)量。最后采用適當?shù)母稍锸侄螌⒅破窂氐状蹈?。干燥過程中需要注意控制溫度和濕度，以避免對制品造成不必要的損害。經(jīng)過這一系列精心處理，最終得到的是高品質(zhì)的MCPCM復合材料制品。測定分析微膠囊壁厚的變化情況，如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著溫度變化，微膠囊的壁厚呈現(xiàn)出一定的變化趨勢。微膠囊數(shù)量對熱傳導路徑的復雜性和熱傳導效率產(chǎn)生了顯著影響。當微膠囊數(shù)量降低時，熱傳導路徑的復雜性相應減少，表明熱量在材料中的傳遞路徑更直接和高效，從而提高了熱傳導效率。相反，當微膠囊數(shù)量增加時，熱傳導路徑的復雜性也隨之增強。熱量在材料中需要繞過更多的微膠囊進行傳遞，增加了傳遞的難度和阻力，導致熱傳導效率降低。這種微膠囊數(shù)量與熱傳導效率間的反向變化關系進一步說明了制備出的復合材料在熱傳導性能上的特點。

階段三，完成測試材料的制備后，進行表征儲熱對比測試。需要進行導熱率計算。預設當前的導熱范圍，根據(jù)獲取數(shù)據(jù)，預先設定出基礎的導熱系數(shù)，將相變溫度控制在2W/（m4·K-1）以內(nèi)，取微膠囊的相變溫度變化的中間值。采用TC3000E型導熱系數(shù)測試儀，測定此時基礎的溫度為20℃，在預設的多個周期內(nèi)，先估算出初始導熱率，再根據(jù)該數(shù)值的變化情況和初始導熱率標準的變化，對微膠囊的儲熱情況進行模糊分析。在不同階段的溫度狀態(tài)下，進行MCPCM復合材料斷面形態(tài)比較，如圖2所示。

基于此，根據(jù)材料斷面的變化，調(diào)整溫度范圍，對測試儲熱材料進行熱重對比，如圖3所示。此時，結合測試所用儲熱材料熱重剩余質(zhì)量的變化，利用設備來測定材料質(zhì)量的損失值。當損失值達到預設的標準后，復合材料會出現(xiàn)玻璃化現(xiàn)象的轉換，此時基于熱重的實時變動趨勢和溫度的層級增加情況，在可以轉換的范圍內(nèi)測算出最大溫度值，將其設定為儲熱測試的約束限制標準，在該溫度范圍內(nèi)對復合材料的儲熱性能進行比較。

采用特殊的方式增加硝酸鹽微膠囊的含量，在特定的溫度范圍內(nèi)，設定多個層級的相變溫度，此時可以在最大溫度值的標準內(nèi)計算出相變溫度均值差。不同的溫度數(shù)據(jù)反應在不同的溫度狀態(tài)下，計算出各個周期儲熱復合材料的導熱率，并對最終的測試結果進行驗證和分析。根據(jù)上述測定的數(shù)據(jù)與信息，預設4個測試周期，最終結果比較見表4。

3 討論

根據(jù)上述測試結果和測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結論：復合材料的導熱率逐漸升高，呈正向變化趨勢，溫度越高，微膠囊數(shù)量越多，相對應的導熱率越強，說明復合材料儲熱性能越好；反之，復合材料的導熱率逐漸降低，溫度越低，微膠囊數(shù)量減少，相對應的導熱率越弱，說明復合材料儲熱性能越差。

4 結語

本文研究了硝酸鹽微膠囊相變儲熱復合材料儲熱性能。結合實際測定需求，設計了更靈活、多變的性能分析結構。在不同的相變儲熱條件下，采用優(yōu)化微膠囊的制備工藝，制備出了具有良好熱穩(wěn)定性和儲熱性能的復合材料。有效解決了硝酸鹽相變材料的液態(tài)泄露問題，顯著提高了復合材料熱導率和儲熱效率，說明當前材料的具有實踐應用優(yōu)勢，能夠推動其在能源存儲和節(jié)能減排方面發(fā)揮更大作用，為實現(xiàn)全球能源可持續(xù)發(fā)展貢獻智慧和力量。

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