美國田納西大學在膠囊化相變儲熱材料方面取得新進展
文章信息
技術(shù)領(lǐng)域：膠囊化相變儲熱材料
開發(fā)單位：美國田納西大學 Hongyu Zhou
技術(shù)突破：開發(fā)了一種新型微膠囊化相變材料——CenoPCM，研究表明，該材料具有較好的力學性能和較高的導(dǎo)熱系數(shù)，且成本遠遠低于其他微膠囊相變材料。
文章名稱：Adam L. Brooks, Hongyu Zhou. Enabling high-strength cement-based materials for thermal energy storage via fly-ash cenosphere encapsulated phase change materials. Cement and Concrete Composites, 2021.
應(yīng)用價值：CenoPCM在水泥基材料的開發(fā)方面具有巨大的潛力。
相變材料(PCM)在水泥基材料中的應(yīng)用為大規(guī)模蓄熱開辟了道路。同時，人們針對相變材料的膠囊化也已經(jīng)開展了廣泛的探究和應(yīng)用，使得相變過程中相變材料的體積變化得到控制。微膠囊相變材料易于與傳統(tǒng)建筑材料相結(jié)合，而且可以增強相變材料與周圍材料之間的熱傳導(dǎo)。然而，聚合物微膠囊相變材料在水泥基材料中的傳統(tǒng)應(yīng)用仍存在一些眾所周知的缺點，例如力學性能不佳，導(dǎo)熱系數(shù)低，成本高等。
來自美國田納西大學的研究人員探索了一種新的微膠囊化方法，使用粉煤灰空心微珠來封裝PCM，以便在水泥基材料中大規(guī)模應(yīng)用。他們制備了體積分數(shù)3%~20vol%的空心微膠囊相變材料(CenoPCM)水泥基復(fù)合材料，并對其性能進行了測試。通過對比研究，闡明了CenoPCM及對應(yīng)的聚合物微膠囊對功能化水泥基材料的力學性能和熱性能的影響。此外，還建立了基于微觀力學的模型，來預(yù)測含有微膠囊相變材料的膠凝材料的性能。由于CenoPCM的力學性能顯著提高，具有良好的導(dǎo)熱性且成本遠遠低于其他微膠囊相變材料，因此在水泥基材料的開發(fā)方面具有巨大的潛力。
圖1 用于微膠囊化的空心粉煤灰微珠(FAC)和微米級MEPCM的性能: (a) X射線衍射(XRD)；(b) 粒度分布；(c) FAC表面形貌掃描電鏡圖像；(d) FAC的多孔壁結(jié)構(gòu) (e) 微粒團 (f)單個顆粒的放大圖
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開發(fā)單位：南京工業(yè)大學，Lei Ni；Juncheng Jiang.
技術(shù)突破：制備了以硅殼作為抑制劑的膠囊化相變材料(PCMs)，可改善反應(yīng)堆的熱能控制從而緩解反應(yīng)熱失控，同時提出了一種抑制效應(yīng)-動力學模型來模擬熱失控反應(yīng)的抑制過程。
文章名稱：Qiang Chen, Lei Ni, Juncheng Jiang. Modeling of runaway inhibition in batch reactors using encapsulated phase change materials. Renewable Energy, 2021.
應(yīng)用價值：該研究有助于工程師和安全管理者制定最優(yōu)的熱失控抑制策略，改善緊急情況下能量反應(yīng)的控制。
熱失控是導(dǎo)致工藝安全事故的常見隱患，化學能量不受控制的釋放給間歇反應(yīng)器帶來了極大的風險。采用以硅殼作為抑制劑的膠囊化相變材料(PCMs)，可改善反應(yīng)堆的熱能控制從而緩解反應(yīng)熱失控。
來自南京工業(yè)大學的科研人員基于以上思路進行PCM制備，具有核殼微觀結(jié)構(gòu)和球形形貌，平均粒徑為980 nm，硅殼厚度為100 nm。他們分別用0.5 g和1 g的膠囊化PCM進行了一系列抑制實驗。基于自催化平行反應(yīng)模型，研究了硫酸催化下丙酸酐與2-丁醇酯化反應(yīng)的動力學參數(shù)。同時提出了一種抑制效應(yīng)-動力學模型來模擬熱失控反應(yīng)的抑制過程。結(jié)果表明，微膠囊復(fù)合相變材料抑制熱失控的機理是相變材料蓄熱和微膠囊強化流體對流換熱的綜合作用。在優(yōu)化抑制劑注入策略時，探究了攪拌速率、膠囊相變材料分散度和熱失控預(yù)警溫度的影響。而絕熱條件下膠囊化復(fù)合相變材料對熱失控的抑制作用相對較低。該研究對反應(yīng)堆的熱能安全設(shè)計和控制具有重要意義，同時膠囊化相變儲熱材料的應(yīng)用為抑制熱失控提供了一個基本的工具。
圖2 (a) 實驗裝置，(b) 抑制實驗過程，(c)膠囊化相變材料漿體
