化工进展 ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (12): 7126-7134.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2024-2080
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收稿日期:2024-12-23
修回日期:2025-03-24
出版日期:2025-12-25
发布日期:2026-01-06
通讯作者:
孙志高
作者简介:张万鑫(1997—),男,硕士研究生,研究方向为储能技术。E-mail:xiyixian@126.com。
基金资助:Received:2024-12-23
Revised:2025-03-24
Online:2025-12-25
Published:2026-01-06
Contact:
SUN Zhigao
摘要:
脂肪胺具有相变焓大、无毒低腐蚀、化学性质稳定等优点,是理想的中低温相变储能材料。采用溶胶-凝胶法,以十四胺-十六胺二元相变材料为芯材,二氧化硅为壁材制备了相变微胶囊。通过向相变材料中添加无机材料石墨烯纳米颗粒,提高相变微胶囊的导热性能。采用FTIR、SEM、DSC和TG等测试手段分析了微胶囊的形貌和热性能,研究了微胶囊制备过程中去离子水量、石墨烯纳米颗粒添加量以及硅酸四乙酯(TEOS)用量对微胶囊制备的影响。实验结果表明,当去离子水量为10mL、芯材中添加质量分数比0.05%的石墨烯纳米颗粒、TEOS和芯材质量比为10∶3时,可以制备出形貌、热性能良好的微胶囊。石墨烯纳米颗粒的加入可以将微胶囊的热导率提高至0.28W/(m·K),提高了87%。微胶囊粒径分布在2μm左右,形貌呈球形,融化温度和凝固温度分别为26.31℃和23.46℃,相变焓为147.7J/g,包裹率约为59.3%。十四胺-十六胺相变材料在形成微胶囊的过程中不发生化学反应,TG测试表明微胶囊在常温下能够稳定存在。
中图分类号:
张万鑫, 孙志高. 石墨烯复合TDA-HDA/SiO2相变微胶囊的制备及性能[J]. 化工进展, 2025, 44(12): 7126-7134.
ZHANG Wanxin, SUN Zhigao. Preparation and properties of TDA-HDA/SiO2 phase change microcapsules with graphene[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2025, 44(12): 7126-7134.
| 试剂名称 | 纯度规格(质量分数) | 生产厂家 |
|---|---|---|
| 十四胺(TDA) | ≥96% | Aladdin |
| 十六胺(HDA) | ≥90% | Aladdin |
| 硅酸四乙酯(TEOS) | 99% | Aladdin |
| 3-氨丙基-3-乙氧基硅烷(APTES) | 99% | Aladdin |
| 异丙醇(IPA) | ≥99.7% | Aladdin |
| 浓盐酸 | 分析纯 | Aladdin |
| 无水乙醇(EtOH) | ≥99.7% | 强盛功能化学股份有限公司 |
| 氨水(NH3·H2O) | 28% | Aladdin |
| 石墨烯纳米颗粒 | <10μm,单层片状,比表面积400~550m2/g | 上海巷田纳米材料有限公司 |
表1 实验原料
| 试剂名称 | 纯度规格(质量分数) | 生产厂家 |
|---|---|---|
| 十四胺(TDA) | ≥96% | Aladdin |
| 十六胺(HDA) | ≥90% | Aladdin |
| 硅酸四乙酯(TEOS) | 99% | Aladdin |
| 3-氨丙基-3-乙氧基硅烷(APTES) | 99% | Aladdin |
| 异丙醇(IPA) | ≥99.7% | Aladdin |
| 浓盐酸 | 分析纯 | Aladdin |
| 无水乙醇(EtOH) | ≥99.7% | 强盛功能化学股份有限公司 |
| 氨水(NH3·H2O) | 28% | Aladdin |
| 石墨烯纳米颗粒 | <10μm,单层片状,比表面积400~550m2/g | 上海巷田纳米材料有限公司 |
| 名称 | 型号 | 精度 | 测量范围 |
|---|---|---|---|
| 赛多利斯电子天平 | BSA224S | ±0.1mg | 0~220g |
| 数控超声波清洗器 | KQ100DE | — | RT+10~80℃ |
| 微电热恒温水槽 | THD-2015 | ±0.1℃ | -20~99℃ |
| 差示扫描量热仪 | TA Instrements DSC2010 | — | -180~725℃ |
| 傅里叶红外光谱仪 | 美国Thermo Scientific Nicolet iN10 | — | 4000~400cm-1 |
| 真空干燥箱 | BZF-30 | ±0.5℃ | RT+2~250℃ |
| 扫描电子显微镜 | TA Instrements DSC2010 | — | -180~725℃ |
| 多功能热导率测定仪 | DRE-Ⅲ | ≤3% | 0.005~50W/(m·K) |
| X射线光电子能谱仪(XPS) | 美国Thermo Scientific K-Alpha | — | 0~1400eV |
| 台式酸度计 | pHS-3C | 精度±0.05 | 5~60℃,pH0~14 |
表2 实验设备
| 名称 | 型号 | 精度 | 测量范围 |
|---|---|---|---|
| 赛多利斯电子天平 | BSA224S | ±0.1mg | 0~220g |
| 数控超声波清洗器 | KQ100DE | — | RT+10~80℃ |
| 微电热恒温水槽 | THD-2015 | ±0.1℃ | -20~99℃ |
| 差示扫描量热仪 | TA Instrements DSC2010 | — | -180~725℃ |
| 傅里叶红外光谱仪 | 美国Thermo Scientific Nicolet iN10 | — | 4000~400cm-1 |
| 真空干燥箱 | BZF-30 | ±0.5℃ | RT+2~250℃ |
| 扫描电子显微镜 | TA Instrements DSC2010 | — | -180~725℃ |
| 多功能热导率测定仪 | DRE-Ⅲ | ≤3% | 0.005~50W/(m·K) |
| X射线光电子能谱仪(XPS) | 美国Thermo Scientific K-Alpha | — | 0~1400eV |
| 台式酸度计 | pHS-3C | 精度±0.05 | 5~60℃,pH0~14 |
| 样品编号 | TEOS/g | TDA-HDA/g | 去离子水量/mL | 石墨烯、芯材质量分数/% | pH |
|---|---|---|---|---|---|
| T1 | 1 | 10 | 10 | 0.05 | 7 |
| T2 | 3 | 10 | 10 | 0 | 7 |
| T3 | 5 | 10 | 10 | 0.05 | 7 |
| T4 | 3 | 10 | 5 | 0 | 7 |
| T5 | 3 | 10 | 15 | 0 | 7 |
| T6 | 3 | 10 | 10 | 0.1 | 7 |
| T7 | 3 | 10 | 10 | 0.05 | 7 |
表3 微胶囊制备体系
| 样品编号 | TEOS/g | TDA-HDA/g | 去离子水量/mL | 石墨烯、芯材质量分数/% | pH |
|---|---|---|---|---|---|
| T1 | 1 | 10 | 10 | 0.05 | 7 |
| T2 | 3 | 10 | 10 | 0 | 7 |
| T3 | 5 | 10 | 10 | 0.05 | 7 |
| T4 | 3 | 10 | 5 | 0 | 7 |
| T5 | 3 | 10 | 15 | 0 | 7 |
| T6 | 3 | 10 | 10 | 0.1 | 7 |
| T7 | 3 | 10 | 10 | 0.05 | 7 |
| 材料 | 融化温度/℃ | 融化焓值/J·g-1 | 凝固温度/℃ | 凝固焓值/J·g-1 | 熔化峰值温度/℃ | 凝固峰值温度/℃ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TDA-HDA | 27.02 | 252.7 | 21.56 | 249.0 | 30.88 | 21.79 |
| TDA-HDA/SiO2 | 26.22 | 136.2 | 22.39 | 144.3 | 29.72 | 20.16 |
| TDA-HDA/SiO2/石墨烯 | 26.31 | 147.4 | 23.46 | 147.7 | 30.11 | 21.53 |
表4 DSC结果
| 材料 | 融化温度/℃ | 融化焓值/J·g-1 | 凝固温度/℃ | 凝固焓值/J·g-1 | 熔化峰值温度/℃ | 凝固峰值温度/℃ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TDA-HDA | 27.02 | 252.7 | 21.56 | 249.0 | 30.88 | 21.79 |
| TDA-HDA/SiO2 | 26.22 | 136.2 | 22.39 | 144.3 | 29.72 | 20.16 |
| TDA-HDA/SiO2/石墨烯 | 26.31 | 147.4 | 23.46 | 147.7 | 30.11 | 21.53 |
| 材料 | 热导率/W·m-1·K-1 |
|---|---|
| TDA-HDA | 0.26 |
| TDA-HDA/SiO2 | 0.15 |
| TDA-HDA/SiO2/石墨烯 | 0.28 |
表5 材料的热导率
| 材料 | 热导率/W·m-1·K-1 |
|---|---|
| TDA-HDA | 0.26 |
| TDA-HDA/SiO2 | 0.15 |
| TDA-HDA/SiO2/石墨烯 | 0.28 |
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