脂肪酸在多孔纳米纤维介质内的固-液相变机理研究

为了更好的缓解日趋紧张的能源问题，合理、有效的开发新的能源和提高能源的使用效率具有重要意义，利用物质的相变进行能量的存储和释放是新能源利用和节能技术研究的重要方面。脂肪酸具有储热密度大、相变过程温度恒定等优点而备受关注，但存在相变体积变化大和热传导性低的问题。因此，本项目利用静电纺丝和纳米复合的技术与原理制备定形相变复合纳米纤维，通过调节纺丝液性能和纺丝工艺参数对复合纳米纤维的微观结构进行调控，建立微观结构与性能之间的内在联系。并通过复合纳米纤维热传导性、循环热稳定性和可持续性的研究，探讨相变过程中微观结构和相变温度（潜热）的变化规律，揭示脂肪酸在多孔纳米纤维介质中的相变机理。在此基础上得出纺丝液性能、纺丝工艺参数-微观结构、性能-储（放）热性能-相变机理之间的关系，揭示复合纳米纤维微观结构、热传导性与储（放）热性能和热循环稳定性之间的本质，为定形相变复合纳米纤维的开发和应用提供理论指导。

本项目以脂肪酸作为固-液相变材料，以聚合物纳米纤维作为支撑材料，结合静电纺丝和纳米复合的技术与原理制备了定形相变复合纤维材料，通过调节纺丝液性能和纺丝工艺参数对复合纤维的微观结构进行调控，实现了定形相变复合纤维材料的可控制备，建立了微观结构与性能之间的内在联系。通过复合相变纤维热能存储性能、热传导性、热能存储/释放速率、循环热稳定性和可持续性的研究，探讨了相变过程中微观结构和相变温度（潜热）的变化规律，揭示了脂肪酸在多孔纳米纤维介质中的相转变机理。主要研究内容包括：（1）定形相变超细复合纤维的制备和结构、性能调控。利用静电纺丝法制备了LA/PET和LA/PA6定形相变超细复合纤维，对其结构、形貌和储热性能进行可控调节，探讨了高导热系数纳米粒子（如纳米SiO2、碳纳米管和碳纳米纤维等）对定形相变超细复合纤维结构、形貌和性能的影响，解析了脂肪酸、聚合物和纳米粒子三者之间的作用方式和复合机理。（2）脂肪酸热性能参数的可控调节及超细复合纤维的制备。基于最低共熔点理论，结合熔融共混和超声分散的原理和技术，制备了10种二元脂肪酸低共熔物，实现了脂肪酸相变温度和相变潜热的可控调节，更好地满足了不同应用场合的实际要求。然后静电纺制得二元脂肪酸低共熔物/PET定形相变超细复合纤维，对其结构、形貌、储热性能和热循环稳定性进行了研究。（3）电纺纳米纤维膜物理吸附法制备定形相变复合材料。利用纳米纤维膜较高比表面积和优异的孔隙率等特点，首先静电纺制备了PA6纳米纤维膜，然后采用物理吸附法制得定形相变复合材料，研究了纳米纤维膜对脂肪酸及其二元脂肪酸低共熔物吸附容量和储热性能的影响；探讨了纳米粒子（如可膨胀石墨）对纳米纤维膜吸附性能和定形相变复合材料结构形貌、储热性能和热传导性的影响。提高支撑材料（如纳米纤维膜）的热物性有望改善定形相变复合材料的热传导性和热能存储/释放过程的效率，首先静电纺制备了聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜，经过预氧化和炭化等过程处理，得到具有较高传热性能的碳（Carbon）纳米纤维膜，探讨了炭化前后纳米纤维膜对脂肪酸吸附性能、储热性能和热能存储/释放速率的影响。通过该项目的研究建立了复合纳米纤维微观结构、热传导性与其储（放）热性能和热循环稳定性之间的本质联系，为定形相变复合纳米纤维的开发和应用提供理论指导。