技术成果
您当前的位置:首页 > 非金属矿应用 > 其他非金属矿物 > 技术成果
 
蛋白土负载型复合相变材料的制备与表征
来源:中国粉体技术网    更新时间:2013-09-02 08:10:43    浏览次数:
 
(中国矿业大学,北京/张殿潮,孔维安,郑水林,刘月,毛俊)1、前言
        物质的相变过程一般是等温或近似等温过程,伴随有能量的吸收或释放,这部分能量称为相变潜热。在相变过程中能实现热能储存(释放)和调温功能的材料称为相变材料。与显热储热相比,相变储热有较高的储热密度,且相变过程中温度不变或基本不变,利用起来具有很大的优势。因此,制备高相变潜热、热稳定性好的相变材料成为了当前研究的一个热点。张晓波、郑水林等在适宜的温度和有机改性条件下,以硬脂酸丁酯和硬脂酸甲酯为相变体,利用熔融共混法制备了一种以硅藻土为载体的复合相变储能材料;方晓明等利用液相插层法制备了硬酯酸/膨润土复合相变储热材料;张正国等将膨润土进行有机改性研制了硬脂酸丁酯/膨润土复合相变材料;沈艳华等以不同比例用十六烷基三甲基溴化铵改性皂土,经离子交换了得到了新戊二醇/皂土复合储能材料;陈中华等研制了十二醇/蒙脱土复合相变储能材料,张东制备了硬脂酸丁酯/硅藻土复合相变材料。
        蛋白土是一种具有层状和多孔结构的矿物,比表面积较大,经粉碎后能形成发达的纳米级微孔。研究发现,随着蛋白土粒度的减小,其比表面积增大,吸附能力显著提高。对蛋白土进行热处理也能增加其吸附能力。利用偶联剂等对蛋白土进行有机改性后,能够改善其与机物的相容性,以有机改性后的蛋白土为基体,制备的新型无机-有机相变材料,能够弥补相变材料存在的易泄漏、易腐蚀以及稳定性差的问题。本文拟采用热熔复混法,以改性蛋白土为基体,石蜡为相变物质,制备具有合适相变温度,具有较大相变潜热的复合储能材料。
        2.实验部分
        2.1仪器与材料
        实验所用蛋白土由辽宁锦州沈宏公司提供,该蛋白土比表面积为61.56m2/g、孔体积0.191cm3/g。蛋白土中SiO2含量为88.46%, Al2O3为6.18%,Fe2O3为1.29%,烧失量为1.92%。有机相变材料主要有石蜡和十八烷,市售,液体石蜡为西陇化工股份有限公司生产,十八烷为国药集团化学试剂有限公司生产。
        实验用主要设备仪器见表1。
表1实验中用到的仪器设备及其规格型号、生产厂家
仪器设备名称 规格型号 生产厂家
电子恒温水浴锅 DZKW-4 北京中兴伟业仪器有限公司
强力电动搅拌器 JB300-D 上海标本模型厂
循环水式多用真空泵 SHD-Ⅲ 保定高新区阳光科教仪器厂
数显电热鼓风干燥箱 101A-3 上海圣欣科学仪器有限公司
马弗炉 SX3-10-14 湘潭市仪器仪表有限公司
静态氮吸附仪 JW-BK 北京精微高博科学技术有限公司
扫描电子显微镜 S-3500N 日本日立公司
傅里叶变换红外光谱仪 Nicolet iS10 美国尼高力仪器公司
DSC Q2000 美国TA公司
热重 Q5000 美国TA公司
        2.2蛋白土的改性
        称取一定质量干燥后的蛋白土原土到三口烧瓶中,加入一定量的蒸馏水控制矿浆浓度为20%,然后加入一定质量的有机改性溶液,混匀后置于30℃的水浴锅中,搅拌反应30min,反应完成后过滤干燥,研磨备用。
        2.3石蜡相变材料复配
        称取一定质量的液体石蜡和十八烷,十八烷中加入液体石蜡使液体石蜡的质量分数为10%,融化混合均匀制备复配石蜡相变材料。
        2.4蛋白土基负载型复合相变材料的制备
        将改性蛋白土在105℃下烘干后,称取3.0g于烧杯中,用滴管加入呈液态的相变材料2g,晃动使其均匀,置于60℃下恒温2h,每隔半小时搅拌一次。反应完全后放入干燥箱冷却至室温,得到蛋白土基负载型复合相变材料。
        2.5蛋白土基负载型复合相变材料的表征
        采用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱和差示扫描量热DSC等对制备的复合相变材料的结构和性能进行表征。     
        3.结果与讨论
        3.1 扫描电镜分析
        图1 是蛋白土原土、蛋白土基负载型复合相变材料的扫描电镜图。
\
图1 蛋白原土、蛋白土基负载型复合相变材料的扫描电镜图
        由图1可知,蛋白土颗粒孔隙和颗粒之间孔隙都被相变材料填充,形成为一个整体,说明蛋白土对相变材料起到了很好的吸附负载和固定作用,复合前后对比发现,复合材料表面的颗粒比蛋白土原土表面的颗粒稍大,并且这些表面颗粒更加紧密的与基体融为一体。当加热到相变材料的相变温度以上时,复合材料仍表现为固体,没有出现液体相变材料的泄漏等。
        3.2 红外光谱
        图2 为蛋白土原土、复合相变材料的红外光谱分析图。
\
图2 蛋白土石蜡复合前后的红外光谱图
        从图2(a)图可知,3440.0cm-1和1653.1cm-1的吸收峰是羟基存在的缘故,其中3440.0cm-1的吸收峰是由束缚水引起的,1653.1cm-1的吸收峰是由自由水引起的,是H-O-H的弯曲振动所致,说明蛋白土内有少量的束缚水和吸附水。1098.0cm-1的吸收峰是Si-O-Si的反对称伸缩振动所致,804.1cm-1的吸收峰是Si-O-Si的对称伸缩振动所致,473.5cm-1的吸收峰是Si-O的弯曲振动所致。和图2(a)相比,图2(b)新增加了2959.2cm-1、2926.5 cm-1、2853.1 cm-1、1477.6 cm-1、1367.3 cm-1、787.8 cm-1和710.2 cm-1等7个新吸收峰,其中2959.2cm-1、2926.5 cm-1和2853.1 cm-1等3个吸收峰是烷烃中C-H键伸缩振动所致,1477.6 cm-1和1367.3 cm-12个吸收峰是烷烃中C-H键弯曲振动所致,787.8 cm-1和710.2 cm-12个吸收峰是所含杂质中芳氢C-H面外弯曲振动所致。由此可见,相变材料的加入并未影响蛋白土的吸收峰,复合相变材料的红外光谱是蛋白土与相变材料叠加的结果,相变材料与蛋白土之间是分子间力作用和物理吸附,没有产生新的化学键。
        3.3 复合材料相变性能
        图3为改性蛋白土负载复合相变材料前后的DSC测试图。
        由图3(a)可知,石蜡复合相变材料在升温过程中也只有一个较窄的吸热峰出现在27.91℃。在该温度附近,该混合物较快发生相变并吸收大量热量。经计算,该混合物的相变温度为24.85℃,相变潜热为197.8 J/g;由图3(b)可知,该复合材料只有1个吸热峰,从16℃左右开始吸热。经计算,该复合材料的相变温度为24.91℃,相变潜热为64.31J/g。相变潜热与纯复配石蜡相比有所减少,相变温度有所下降。
\
(a)
\
(b)
图3改性蛋白土负载复合相变材料前后的DSC测试图
        3.4复合材料相变热特性和稳定性
        采用冷热循环法对蛋白土基负载型复合相变材料进行热稳定性检测。该复合材料经过80次冷热循环后,质量损失率为2.37%,40次以后,质量损失变得缓慢,具有较好的热稳定性。其相变温度为24.94℃左右,相变潜热 62.09J/g。
        4.结论
        (1)通过对蛋白土载体进行表面有机改性和负载复合石蜡制备出了相变温度适宜、相变潜热较高、稳定较好的新型蛋白土基负载型复合相变材料。其相变温度为24.94℃左右,相变潜热 62.09J/g,热稳定性好。
        (2)用热熔复混法,以有机改性蛋白土为载体,石蜡为有机相变材料制备的复合相变材料中,蛋白土与石蜡以物理吸附方式结合,没有发生化学反应。


(桂林非金属矿加工与应用技术交流会,发表于中国粉体技术杂志)
 
相关信息 更多>>
蛋白土负载型复合相变材料的制备与表征2013-09-02
 
我要评论
非金属矿应用
石英
滑石
石膏
方解石
石墨
云母
珍珠岩
沸石
石棉
膨润土
硅灰石
菱镁矿
萤石
水洗高岭土
煅烧高岭土
蛭石
长石
硅藻土
海泡石
水镁石
查看全部