功能化石墨烯调控PEG相变材料的制备及其构效关系研究

The intermittent, unstable energy such as solar energy, geothermal energy, and industrial waste heat could be absorbed, then the energy can be output efficiently and steadily by polyethylene glycol (PEG) as a phase change material, however, the PEG phase change material cannot be promoted and applied in practical application because of easy leakage, poor heat conductivity and low thermal stability. Aim at the defects of polyethylene glycol (PEG) as a phase change material, the skeleton structure hybrid composing reactive functional groups, graphene, phosphorus, nitrogen, silicon and other elements is to be synthesized based on the edge modification of graphene according to the molecular and structural design, PEG is to be embedded in the network structure formed by skeleton structure hybrid by sol-gel, then the PEG phase change material modified by functionalized graphene is synthesized, and the defects of polyethylene glycol (PEG) as a phase change material, such as easy leakage, poor heat conductivity and low thermal stability are to be resolved in the same material. The effects of the reactant, synthesis factors on the composition, structure of skeleton structure hybrid are to be studied, and the controlled synthesis techniques of skeleton structure hybrid is to be obtained; The anti-leakage, thermal conductivity, thermal stability, phase change and energy storage of g-PEG are to be researched, and the internal relationships between composition, structure of skeleton structure and properties of g-PEG are to be built; This research can provide technical and theoretical supports for preparation of excellent PEG as phase change materials.

聚乙二醇（PEG）相变材料能将太阳能、地热能、工业余热等间歇性、不稳定的能量储存后高密度、稳定的输出，然而PEG的易渗漏、能量利用率低和热稳定性能差的缺点严重限制了其在实际生产生活中的推广和应用。本项目针对PEG相变材料的缺点，利用分子和结构设计原理，通过石墨烯的边缘修饰，控制合成拥有石墨烯、P、N、Si以及反应性基团组成的杂化骨架；再利用溶胶-凝胶反应，将PEG嵌入到由杂化骨架形成的网络结构中，获得功能化石墨烯调控的PEG相变材料（g-PEG），使PEG相变材料存在易渗漏、能量利用率低和热稳定性能差的缺点在同一材料中得到解决。研究反应物、合成工艺等对杂化骨架组成、结构的影响，获得杂化骨架可控合成的技术；研究g-PEG的抗渗漏、导热性能、热稳定性能、相变储能等性能，揭示g-PEG性能与杂化骨架组成、结构间的本质关系；通过本项目的研究能为开发综合性能优异的PEG相变材料提供实验和理论支撑。

聚乙二醇（PEG）相变材料能将太阳能、地热能、工业余热等间歇性、不稳定的能量储存后高密度、稳定的输出，然而PEG的易渗漏、导热和热稳定性能差的缺点限制了其在实际生产生活中的推广和应用。本项目利用氧化石墨烯边缘可设计和石墨烯高导热的特点，获得系列抗渗漏、高导热、高热稳定性的PEG复合相变材料。主要开展以下工作：.（1）采用溶胶-凝胶法以及模板法在氧化石墨烯片层两面各自生长一层介孔二氧化硅，并高温煅烧后得到多孔结构的石墨烯/二氧化硅复合材料(GS)，并优化孔GS的结构，利用多孔材料的毛细管力将相变材料PEG固定在GS的孔结构中，得到石墨烯/SiO2/PEG复合相变材料。复合材料中PEG含量达到80wt%，导热系数提高9.2%，热解温度提高50℃。.（2）采用水热法，一步制备了三维石墨烯凝胶复合PEG相变材料，PEG含量可达99.3%。与纯PEG相比，三维石墨烯凝胶复合PEG相变材料相变焓损失率低于1%，导热率提高了61.7%，材料在70℃恒温30min后，没有发生渗漏现象，热稳定性提高约20℃。.（3）采用原位合成法制备了含磷、氮、硅的有机-无机复合阻燃剂，并以复合阻燃剂作为前驱体（GAPS），采用溶胶凝胶法得到新型PEG相变复合材料GAPSE（GAPS水解产物和PEG形成复合材料）；其中GAPSE焓变值为102.1J/g，焓变损失率为12.0%，导热系数比纯PEG提高117.9%，成碳量明显提高。.（4）利用SOCl2将氧化石墨烯表面的羧基官能团酰氯化，选用三聚氰氯对酰氯化的氧化石墨烯改性，制备石墨烯无机-有机功能化载体，再使得PEG端位带有活性氰酸根，并与氨基化的载体聚合，获得石墨烯功能化PEG复合相变材料。复合材料相变焓损失率仅为5.3%，导热率提高了69.5%，热分解温度提高50℃，复合材料在110℃放置30min不发生渗漏现象。.（5）利用层状双金属氢氧化物层板（LDH-Ns）带正电，蒙脱土层板（MMT-Ns）带负电的特点，将PEG在LDH-Ns和MMT-Ns发生静电自组装的同时，放置于LDH-Ns/MMT-Ns复合材料的片层间，并将石墨烯片层分散在复合材料中，利用LDH-Ns/MMT-Ns间的空隙结构，为PEG提供结构支撑，LDH-Ns、MMT-Ns和石墨烯片层为PEG提供热保护，分散的石墨烯为材料提供导热通道。