北工商萬賢副教授課題組:蓄冷相變複合材料結構與性能的調控,從核...

2020-12-01 騰訊網

近年來，隨著電商時代的興起和人們對新鮮安全產品的需求增長，冷鏈物流如今正在飛速發展。

圖1.冷鏈運輸車

眾所周知，在冷鏈物流中不僅儲藏冷庫，運輸冷藏車的成本較高，而且在從冷庫到消費者的運輸過程中，目前仍存在因蓄冷設施不到位導致的冷鏈「斷鏈」問題，從而也引發了一些相關的衛生安全問題。

那麼在化石能源的逐漸枯竭的今天，如何在保證冷鏈運輸及儲存普及性的同時，兼顧成本與能源的高效利用呢？顯而易見的，相變蓄冷材料可為冷鏈這隻猛虎添上雙翼。把相變蓄冷材料應用於冷鏈物流設施中，不僅能夠降低冷鏈物流的成本，提升冷藏效果，延長冷鮮物品的保鮮時長，而且靈活方便，可有效的填補冷庫冷藏車與消費者之間的冷鏈「斷鏈」空隙。

北京工商大學萬賢副教授課題組以月桂酸甲酯為蓄冷相變材料，通過凝膠-溶膠的方法，使用聚倍半矽氧烷作為支撐材料，獲得了蓄冷相變複合材料（ML/SiO2 PCMs）。與此同時，巧妙構築了分子間氫鍵，通過體系中PVA含量和製備溫度的改變對相變複合材料的結構進行了有效調控，成功使其具有從核殼結構微膠囊轉變為網絡結構的性能，並保持較高的相變潛熱。（熔融溫度為6.71℃，潛熱為151.3 J/g，凝固溫度為 -5.43℃，潛熱為148.9 J/g）

圖2. 相變複合材料的形態變化圖

如圖2所示，隨著體系中PVA含量的改變，蓄冷相變複合材料的形貌發生了連續的變化。值得注意的是，PVA含量影響複合材料形貌的根本原因是其與聚倍半矽氧烷中的羥基產生的氫鍵作用。而溫度同樣會對氫鍵產生影響。在不同的製備溫度下，相變複合材料同樣呈現了連續的變化，如圖3所示。

圖3. 不同ML/SiO2質量比 的相變複合材料的SEM 圖像。插圖為複合材料的斷面SEM

在圖3中可以清晰的看到隨著反應溫度的升高，複合材料的網絡結構逐漸增多。不僅如此，通過SEM圖片右上角的插圖可以看到複合材料的斷面結構，核殼結構的微膠囊逐漸向多孔支撐的網絡結構轉變。而這種外型上的轉變，又能為該複合材料帶來什麼性能呢？

相變材料的優勢

這就不得不說一下相變材料的優勢是什麼了，當然是相變。相變就是在溫度不變的情況下能夠儲存更多的能量。

舉個慄子:小明的左胳膊和右胳膊分別被100℃的熱水和100℃的水蒸氣燙傷了，可令小明納悶的是，為什麼右胳膊更嚴重？因為100攝氏度時的水蒸氣碰到小明的皮膚時，不僅有顯熱，還有氣態水冷凝成液態水釋放出的相變熱。這就是相變材料的優勢了：能攜帶更多的熱量。（此處感謝小明的犧牲。）

那複合材料呢？

毫無疑問，為了防止相變材料洩露而製備的複合材料，往往採用沒有相變能力的材料作為支撐材料，因此，在獲得穩定性的同時，複合材料也付出了蓄能方面的損失。原因有兩個。

1

沒有相變能力的支撐材料拉低了複合材料的蓄能能力。就好像一個杯子的裝滿了水，一個杯子裡沒有水，那麼兩個杯子一平均，一杯只有一半水。

2

相變材料被支撐材料束縛在狹小的空間裡，有部分鏈段無法正常結晶熔融進行相變，從而進一步降低了複合材料的蓄能能力。

本文複合材料的優勢

由於該研究引入了PVA與聚倍半矽氧烷之間的氫鍵，不僅可對蓄冷相變複合材料的形貌進行有效調控，而且通過氫鍵對相變材料月桂酸甲酯的結晶行為進行了幹預，在一定核殼比時，獲得了具有高於其理論焓值的相變焓值。

更有意思的是，即使對於同樣的核殼比，不同的製備溫度下，蓄冷相變複合材料也會表現出不同的焓值，如圖4所示。

圖4. 不同ML/SiO2比值下，相變複合材料的焓值

除此之外，該研究中獲得的蓄冷相變複合材料還具有優異的化學相容性和穩定性，未來在蓄冷領域中具有較高的應用價值。

應用前景

這種新型的蓄冷相變複合材料，具有較好的生物相容性，無毒，過冷較小，能夠在冷鏈運輸，冷鏈儲藏，可攜式蓄冷箱，可攜式蓄冷飯盒中得到廣泛的應用，降低冷鏈能量損耗，提升冷鏈產品的品質。

詳細結果參見近期發表在《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.

該工作得到了國家自然基金（(NSFC No. 51503006）的資助。

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！

相關焦點

  • 環境科學與工程學院楊東江課題組在《Advanced Energy Materials...
    該研究以海藻酸鈷、鎳為原料製備了一種全新的雙金屬硫化物Co6Ni3S8作為鈉離子電池負極材料，並採用N,S共摻雜的富含N,S空位的碳殼對其進行電子結構調控，獲得了較高的可逆容量、優異的倍率性能和良好的循環穩定性。
  • 清華劉鍇團隊:二氧化釩的相變特性、性能調控及應用前景
    研究系統評述了二氧化釩（VO2）材料的相變特性、性能調控及應用前景，以及近十幾年來二氧化釩材料研究領域新的進展及面臨的挑戰。文章連結：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.03.029 二氧化釩是一種強關聯材料，自1959年被發現以來就因獨特的金屬-絕緣體相變及伴隨的結構相變而受到廣泛的關注。
  • 楊慶生——北京工業大學——新型結構的力學性能分析,複合材料力學...
    招生專業： 工程力學 研究領域： 新型結構的力學性能分析，複合材料力學，細觀力學，計算力學，聚合物與生物材料的多場耦合性能 聯繫方式
  • ...西北工業大學顧軍渭教授課題組關於電磁屏蔽高分子複合材料研究...
    西北工業大學顧軍渭教授課題組通過控制冷凍方式和不同填料比調控其微結構成功製備出一種輕質、簡單易得、可塑性強的高導電、高屏蔽效能、優異力學性能和突出熱穩定性的纖維素納米纖維/Ti3C2Tx MXene氣凝膠/環氧樹脂納米複合材料。
  • 結構如何調控性能?研究揭開鈣鈦礦性能調控的秘密 - 新技術 - 中國...
    當前，在太陽能電池、發光二極體、場效應電晶體和光電探測器等領域，有機-無機雜化滷素鈣鈦礦材料展示了廣泛的應用前景，其載流子遷移率是鈣鈦礦材料性能以及實現以鈣鈦礦為基的高效率器件的重要參數。國內外不少課題組通過設計合成新的鈣鈦礦結構來調控載流子遷移率，取得了許多重要進展。然而，鈣鈦礦中有機陽離子構象如何調控鈣鈦礦性能?如何從分子水平上來理解結構調控性能?人們這一科學問題所知甚少。
  • 北航：製備一種納米複合材料，實現優異電磁波吸收性能
    為了進一步調節介電參數，通過二氧化矽和酚醛樹脂的原位聚合將碳層、SiO2和SiO2/碳層包覆在珠狀鈷核上，分別獲得Co@C，Co@SiO2和Co@SiO2@C納米複合材料。Co@SiO2@C納米複合材料樣品具有最佳的電磁波（EMW）吸收性能。
  • 合肥研究院在團簇結構調控和性能研究中取得進展
    近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員伍志鯤帶領的課題組，與中國科學技術大學教授楊金龍帶領的課題組合作，在金屬納米糰簇的結構調控與性能研究方面取得進展，相關研究成果以Kernel Tuning and Nonuniform Influence on Optical and Electrochemical Gaps of Bimetal Nanoclusters
  • 二硫化鉬碳膠囊複合材料製備高性能超級電容器
    那二硫化鉬碳膠囊複合材料是如何製備出高性能超級電容器的？二硫化鉬MoS2針對MoS2在超級電容器應用的不足，上海交通大學趙斌元副教授課題組在具有「一維+二維(1D研究人員選取多孔中空碳膠囊和少數層二維二硫化鉬為材料體系，通過結合電化學雙層電容和贗電容這兩種機制，成功實現了更高的電化學儲能整體性能。
  • (1月7日)聚合物基功能複合材料的設計構築及性能調控
    （1月7日）聚合物基功能複合材料的設計構築及性能調控 來源：化學科學與工程學院   時間：2019-01-02  瀏覽：
  • 離子調控功能氧化物新進展:從單相材料的拓展到新型異質結構的設計
    其中，清華大學於浦課題組與合作者一起利用質子調控單相SrRuO3, 觀察到全新物相，並實現了對該材料中由鐵磁貢獻的反常霍爾效應的有效調控。與此同時，史丹福大學Yuri Suzuki課題組與合作者一起通過在單晶胞尺度設計超晶格，製備出適於離子調控的功能氧化物異質結構。
  • 我國科學家製備出多尺度螺旋結構的導電材料/聚合物複合材料
    提高導體和傳感器的變形能力，保證其優異的電學性能，是該領域研究的重點問題。中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室柔性材料、結構與器件力學課題組與北京航空航天大學合作，設計並製備出具有多尺度螺旋結構、大變形能力以及高穩定性的導電材料（碳納米管CNTs）/聚合物（聚氨酯PU）複合材料。
  • 我校劉銀教授課題組在三維納米花狀MoS2-PANI複合材料的結構設計...
    近日，我校劉銀教授課題組在國際期刊Composites Science and Technology（中科院SCI分區：材料科學一區、TOP期刊、影響因子IF = 6.63）在線發表了題為《Embedded MoS2-PANI Nanocomposites
  • 基於電子結構精準調控策略構築氮碳包覆的核殼結構硒化物電催化劑
    成分可控的合成氮摻雜的碳包覆的不同種類的硒化鎳精確的調控了相應納米材料的電子結構，這對於HER電催化活性的提高是至關重要的。理論計算結果表明NiSe@NC主要通過範德瓦爾斯作用力來調控碳外殼的電子結構，從而賦予了它優異的全pH產氫電催化活性。這部分工作不僅提供了一種簡單有效地精確調控納米材料電子結構的方法，而且為未來氮摻雜的碳包覆的硒化物複合材料的可控合成提供了一定的實驗依據和理論指導。
  • 天津大學仰大勇課題組《德國應化》:手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構
    天津大學化工學院李鳳副教授和博士研究生李帥為共同第一作者。合作者包括中科院生物物理所高利增研究員，天津醫科大學劉陽平教授、宋玉光副教授和談小莉博士。研究示意圖：手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構。DNA是一種雙螺旋結構的生物大分子，是生命系統的核心遺傳物質，引導生物發育和生命機能運作。DNA的高級結構也稱DNA拓撲結構，是指在DNA雙螺旋的基礎上，進一步扭曲所形成的特定空間結構。超螺旋結構是DNA拓撲結構的主要形式，超螺旋密度由DNA拓撲異構酶來調節和控制。
  • 北航趙勇教授、王女副教授課題組:靜電紡絲製備多級結構微/納米複合纖維及其應用
    近日，北京航空航天大學趙勇教授、王女副教授課題組就靜電紡絲製備多級結構微/納米複合纖維，及其在自清潔、油水分離、乳液分離、有機液體分離、定向集水、液體單向透過和智能相應材料等多種領域的應用作了深入研究，並取得進展。
  • 分子尺度解析鐵電聚合物納米複合材料的界面效應
    實驗和理論結構均表明填料-聚合物基體的界面對鐵電聚合物納米複合材料的介電，壓電，熱電和電卡性能的調控具有決定性作用。比如，通過適當的界面設計來調控納米複合材料的電極化，可以使其超過單純陶瓷或聚合物的電極化。
  • 北理工吳鋒院士團隊在鈉離子電池材料結構設計和性能優化取得進展
    近日，北京理工大學材料學院吳鋒院士團隊在鈉離子電池材料的結構設計和性能優化方面取得重要突破。二維過渡金屬硫族化物（TMC）具備開放的框架結構和良好的電化學性能，廣泛應用於鋰離子電池和鈉離子電池。其較大的層間距和較弱的範德華相互作用，可實現鈉離子的快速傳輸。但TMC的電導率低，導致比容量和倍率性能不佳。
  • 核物理與核技術國家重點實驗室付恩剛課題組與合作者在摩擦納米...
    通常，材料表面改性工作大多集中在界面刻蝕與壓印等方向，通過界面的微納米陣列結構來增加有效接觸面積，進而增加接觸起電產生的電荷密度。然而，界面微納米結構在持續摩擦過程中的穩定性一直備受挑戰，研究者們一直在尋找新的更有效的界面調控方法去提高其起電性能。
  • :分子尺度解析鐵電聚合物納米複合材料的界面效應
    實驗和理論結構均表明填料-聚合物基體的界面對鐵電聚合物納米複合材料的介電，壓電，熱電和電卡性能的調控具有決定性作用。比如，通過適當的界面設計來調控納米複合材料的電極化，可以使其超過單純陶瓷或聚合物的電極化。文獻中廣泛引用的模型即多核唯象模型，是由Tanaka等於2005年提出的（IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 12, 669 （2005））。
  • 蘇州納米所在金屬合金晶體結構調控電催化性能方面取得進展
    近些年來，各種各樣的策略已經被用來改進合金納米材料的催化性能，例如調控尺寸、形貌或組分。然而，由於合成上的巨大挑戰，對金屬合金晶體結構的調控卻相對少見。眾所周知，在不同晶體結構中金屬原子的堆積模式直接決定了金屬材料自身迥異的電子結構，而這對其非均相催化性能有著至關重要的影響。