水合盐MgCl2·6H2O体系室温相变储能材料微胶囊的制备、结构与性能研究

In order to overcome the limitations of energy supply and demand in time and space and achieve the freedom in energy use, considering the less efficient use of Qaidam salt lake magnesium resources, in this project we will prepare MgCl2·6H2O systems (MgCl2·6H2O-Mg(NO3)2·6H2O-CaCl2·6H2O) hydrated salt room temperature phase change materials using the salt lake bischofite resources and the calcium chloride byproducts resources. Through controlling of the ratio of each component, the additive (nucleating agents, thickening agents, thermal conductivity enhancers, etc.) and the microencapsulated technology, we will prepare the phase change material microcapsules with phase transition temperature adjustable, small degree of supercooling, no phase separation, chemical stability, low cost, non-toxic, non-corrosive, large latent heat and high thermal conductivity. To achieve these goals, firstly we will achieve phase transition temperature controllable of the phase change material by drawing the liquid-solid equilibrium phase diagram. Secondly, through analyzing the enhance mechanism of phase change material properties by additives, we will develop phase change materials with excellent performances and good cycle stability. Finally, microencapsulate the phase change material and simulate solar heating function rooms to achieve the thermal storage and thermostat functions. Implementation of the project will achieve a breakthrough in high-value and large-scale use of salt lake magnesium resources.

本项目针对能量供求在时间和空间上分配不平衡的矛盾，实现能源使用的时空自由，结合柴达木盐湖镁资源缺乏有效利用的现状，拟利用盐湖水氯镁石资源、副产氯化钙资源制备MgCl2·6H2O体系（MgCl2·6H2O-Mg(NO3)2·6H2O-CaCl2·6H2O）水合盐室温相变储能材料。通过对相变材料中各组分配比、添加剂（成核剂、增稠剂、热导率增强剂等）和微胶囊封装等的控制，制备出相变温度可调、过冷度较小、无相分离、化学稳定、低成本、无毒、无腐蚀性的具有较大相变潜热和高热导率的相变储能材料微胶囊。为了达到上述目标，首先通过多组分系统液-固平衡相图的绘制实现相变材料的相变温度控制；其次，分析添加剂对相变材料性能的增强机理，发展一种性能优越、具有良好循环稳定性的相变储能材料；最后通过微胶囊封装，模拟太阳能采暖功能房，实现相变储能材料微胶囊的蓄热调温功能。以期在盐湖镁资源的高值化和规模化利用方面实现突破。

本项目研究了一系列相变温度在室温附近的MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·6H2O、CaCl2·6H2O 体系相变储能材料的热物理性能。以分析纯CaCl2·2H2O为原料，实现了CaCl2·6H2O的重结晶制备，提高了CaCl2·6H2O的纯度并降低成本。通过MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·6H2O、CaCl2·6H2O等不同水合盐的配比调控，得到相变温度在15°C～35°C区间室温附近的相变储能材料体系，相变热>160J/g。为了达到更好的室内采暖效果，还探索了相变温度在40°C～60°C区间的一系列相变储能材料体系。利用成核剂、增稠剂、热导率强化剂将部分相变储能材料体系体系的过冷度降低到 2°C以下，甚至降到0.5°C以下，在一定循环周期内消除相分离（50循环测试），液态相变储能材料热导率提高到1.83 W／(m·K)，固态相变储能材料热导率达到5 W／(m·K)左右。利用纳米蘸笔刻蚀技术以NaCl为例研究了盐溶液在固体界面上的成核过程，阐述了 NaCl 盐溶液在界面上的成核与界面的晶格取向之间相关性。针对现有的相变储能材料热导率测试对样品规格的要求进而导致测试的准确性降低的缺点，提出了一种基于扫描差示量热仪和多路温度巡检仪，并利用热导率已知的水作参比物的相对法对工作温度范围内各温度点尤其是相变温度点的相变储能材料热导率进行测试的方法及装置，避免了特定规格的样品制备，确保了实验结果的稳定可靠。还原态氧化石墨烯对相变储能材料导热强化方面，开展了还原态氧化石墨烯的分散性和还原程度控制方面的工作：采用界面反应的方法提高了氧化石墨烯晶相转变效率；发展了一种易团聚样品的紫外可见分光光度测试制样方法；研究了湿度对扫描极化力显微镜成像的影响，实现了扫描极化力显微镜对比度的调控；发展出了基于静电力显微镜谱的氧化石墨烯还原程度测试方法。针对相变储能材料在高原农牧地区的室内太阳能采暖应用，初步探索了相变储能材料的简易封装，并通过对相变储能材料进行蓄热箱体初步测试，发现相变储能材料对储热箱体内温度提升、保温时间延长较为明显，实现了相变储能材料的蓄热调温功能。通过本项目的实施促进了柴达木盐湖镁资源、副产氯化钙资源的有效综合利用。