Warning: include_once(/www/wwwroot/www.yantuo.com.cn/wp-content/object-cache.php): failed to open stream: No such file or directory in /www/wwwroot/www.yantuo.com.cn/wp-content/advanced-cache.php on line 386

Warning: include_once(): Failed opening '/www/wwwroot/www.yantuo.com.cn/wp-content/object-cache.php' for inclusion (include_path='.:') in /www/wwwroot/www.yantuo.com.cn/wp-content/advanced-cache.php on line 386
北工商万贤副教授课题组:蓄冷相变复合材料结构与性能的调控,从核壳到网络-岩拓气凝胶

北工商万贤副教授课题组:蓄冷相变复合材料结构与性能的调控,从核壳到网络

近年来,随着电商时代的兴起和人们对新鲜安全产品的需求增长,冷链物流如今正在飞速发展。

北工商万贤副教授课题组:蓄冷相变复合材料结构与性能的调控,从核壳到网络
图1.冷链运输车

 

众所周知,在冷链物流中不仅储藏冷库,运输冷藏车的成本较高,而且在从冷库到消费者的运输过程中,目前仍存在因蓄冷设施不到位导致的冷链“断链”问题,从而也引发了一些相关的卫生安全问题。

那么在化石能源的逐渐枯竭的今天,如何在保证冷链运输及储存普及性的同时,兼顾成本与能源的高效利用呢?显而易见的,相变蓄冷材料可为冷链这只猛虎添上双翼。把相变蓄冷材料应用于冷链物流设施中,不仅能够降低冷链物流的成本,提升冷藏效果,延长冷鲜物品的保鲜时长,而且灵活方便,可有效的填补冷库冷藏车与消费者之间的冷链“断链”空隙。

北京工商大学万贤副教授课题组以月桂酸甲酯为蓄冷相变材料,通过凝胶-溶胶的方法,使用聚倍半硅氧烷作为支撑材料,获得了蓄冷相变复合材料(ML/SiO2 PCMs)。与此同时,巧妙构筑了分子间氢键,通过体系中PVA含量和制备温度的改变对相变复合材料的结构进行了有效调控,成功使其具有从核壳结构微胶囊转变为网络结构的性能,并保持较高的相变潜热。(熔融温度为6.71℃,潜热为151.3 J/g,凝固温度为 -5.43℃,潜热为148.9 J/g)

 

北工商万贤副教授课题组:蓄冷相变复合材料结构与性能的调控,从核壳到网络
图2. 相变复合材料的形态变化图

 

如图2所示,随着体系中PVA含量的改变,蓄冷相变复合材料的形貌发生了连续的变化。值得注意的是,PVA含量影响复合材料形貌的根本原因是其与聚倍半硅氧烷中的羟基产生的氢键作用。而温度同样会对氢键产生影响。在不同的制备温度下,相变复合材料同样呈现了连续的变化,如图3所示。

北工商万贤副教授课题组:蓄冷相变复合材料结构与性能的调控,从核壳到网络
图3. 不同ML/SiO2质量比 的相变复合材料的SEM 图像。

 

 

在图3中可以清晰的看到随着反应温度的升高,复合材料的网络结构逐渐增多。不仅如此,通过SEM图片右上角的插图可以看到复合材料的断面结构,核壳结构的微胶囊逐渐向多孔支撑的网络结构转变。而这种外型上的转变,又能为该复合材料带来什么性能呢?

 

相变材料的优势

这就不得不说一下相变材料的优势是什么了,当然是相变。相变就是在温度不变的情况下能够储存更多的能量。

北工商万贤副教授课题组:蓄冷相变复合材料结构与性能的调控,从核壳到网络

举个栗子:小明的左胳膊和右胳膊分别被100℃的热水和100℃的水蒸气烫伤了,可令小明纳闷的是,为什么右胳膊更严重?因为100摄氏度时的水蒸气碰到小明的皮肤时,不仅有显热,还有气态水冷凝成液态水释放出的相变热。这就是相变材料的优势了:能携带更多的热量。(此处感谢小明的牺牲。)

那复合材料呢?

毫无疑问,为了防止相变材料泄露而制备的复合材料,往往采用没有相变能力的材料作为支撑材料,因此,在获得稳定性的同时,复合材料也付出了蓄能方面的损失。原因有两个。

没有相变能力的支撑材料拉低了复合材料的蓄能能力。就好像一个杯子的装满了水,一个杯子里没有水,那么两个杯子一平均,一杯只有一半水。

北工商万贤副教授课题组:蓄冷相变复合材料结构与性能的调控,从核壳到网络

相变材料被支撑材料束缚在狭小的空间里,有部分链段无法正常结晶熔融进行相变,从而进一步降低了复合材料的蓄能能力。

北工商万贤副教授课题组:蓄冷相变复合材料结构与性能的调控,从核壳到网络

 

本文复合材料的优势

由于该研究引入了PVA与聚倍半硅氧烷之间的氢键,不仅可对蓄冷相变复合材料的形貌进行有效调控,而且通过氢键对相变材料月桂酸甲酯的结晶行为进行了干预,在一定核壳比时,获得了具有高于其理论焓值的相变焓值。

更有意思的是,即使对于同样的核壳比,不同的制备温度下,蓄冷相变复合材料也会表现出不同的焓值,如图4所示。

北工商万贤副教授课题组:蓄冷相变复合材料结构与性能的调控,从核壳到网络
图4. 不同ML/SiO2比值下,相变复合材料的焓值

 

除此之外,该研究中获得的蓄冷相变复合材料还具有优异的化学相容性和稳定性,未来在蓄冷领域中具有较高的应用价值。

应用前景

这种新型的蓄冷相变复合材料,具有较好的生物相容性,无毒,过冷较小,能够在冷链运输,冷链储藏,便携式蓄冷箱,便携式蓄冷饭盒中得到广泛的应用,降低冷链能量损耗,提升冷链产品的品质。

详细结果参见近期发表在《Journal of Energy Storage》的文章:Xian Wan, Cong Chen, Songyun Tian, Baohua Guo, Thermal characterization of net-like and form-stable ML/SiO2 composite as novel PCM for cold energy storage. Journal of Energy Storage, 2020. 28: p. 101276.

该工作得到了国家自然基金((NSFC No. 51503006)的资助。

相关新闻

微信