环氧树脂/石蜡定型复合相变材料的制备与热性能研究

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为了进一步克服普通相变材料循环寿命低、导热性能差以及阻燃性能差等缺点,本文制备并表征了一种新型定型相变材料——以石蜡作为相变材料的储能材料,环氧树脂作为支撑材料,采用溶胶-凝胶法制备了环氧树脂/石蜡定型复合相变材料,很好地解决了相变材料在相变过程中发生泄露的问题以及难二次加工问题。然后针对此种定型相变材料进行阻燃性能方面存在的缺点,对其使用膨胀阻燃剂和红磷阻燃剂来协同阻燃,以提高其阻燃,扩大在储热领域的应用。  添加微量的膨胀石墨有利于复合相变材料导热率的成倍增强,当复合材料中片状石墨微粉的质量分数为3%,3.5%,4%,4.5%,5%时,复合相变材料的导热系数分别增加了24.6%,59.8%,121.9%,170.6%,207.1%。随着环氧树脂含量的上升,热重分析TGA曲线在150oC~370oC显著上升,复合相变材料的热稳定性逐渐提高。同时根据万能试验机结果发现环氧树脂为复合相变材料的起到关键作用,其抗拉伸性能、抗弯曲性能和抗冲击性能得到了显著增强,当环氧树脂与石蜡质量比大于1:1后,材料的力学性能变化就趋于平缓,此时潜热值能达到122J/g。  使用UL94垂直燃烧测试对复合相变材料进行阻燃性研究,结果显示,当单独使用膨胀阻燃剂或者单独使用红磷阻燃剂时,配比质量在整个材料中所占比例达到20%时,做制备的阻燃性复合相变材料的阻燃等级都未达到UL94-V0级别,这两种阻燃剂起到了协同作用,并且此时材料的潜热值高达120J/g左右,相变温度在50oC,与理论值相差不大,阻燃定形相变材料具有良好的储热性能。此外,采用价格低廉的微米级SiC用于增加基体材料环氧基的导热性,从而增加整个复合相变材料的导热性能。实验发现,通过添加 SiC后,复合相变材料的潜热仍然与理论值相差不远。但导热率达到了5.018W/(m·K),是纯石蜡的9倍多,是三元复合定型相变材料的近4倍。  本实验针对相变材料工作原理设计了简单易行的高低温循环实验系统,通过对比环氧基相变材料不同配比发现,环氧树脂的三维交联结构在对减缓材料的析出问题起到了很大的作用。当环氧树脂与石蜡比超过1:1时,任凭复合相变材料如何加工处理,都很难有析出现象发生;当比例小于1:1时,复合相变材料在析出表面未被包裹的石蜡后,析出问题也逐渐趋于稳定。此外,通过对比环氧基和 HDPE基复合相变材料发现,HDPE的析出问题在中间有比较高的析出现象发生,而经过100次循环后析出问题也还存在,说明环氧基相比于 HDPE基能更加减缓复合相变材料的析出问题,提高相变材料的循环寿命。
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