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四川大學雷景新教授團隊采用經典Diels-Alder反應制備了可回收、可再加工的固-固相變材料,實現了可持續的熱能儲存
2019-09-20  來源:中國聚合物網

  有機相變材料因其具有較低的成本、較大的相變焓、可調的轉變溫度、優良的循環穩定性和使用方便等優點而廣泛用于建筑保溫材料、紡織工業、智能包裝、太陽能存儲、溫室大棚、電子產品冷卻、廢熱回收和一些新興領域。常用的有機相變材料,例如石蠟、脂肪醇、聚乙二醇等,在熔融放熱吸熱過程中常常面臨著泄漏的問題。因此,研究者設計出了多種形狀穩定型或固-固轉變型相變材料,以克服使用過程中存在泄漏的問題。然而,這些相變材料難以回收且不具備再加工性,造成資源浪費和環境污染。目前,一個挑戰是制備可回收、可再加工的固-固相變材料,以用于溫度管理和可再生能源儲存。此外,有機相變材料的熱穩定性或儲能容量仍需提高。

圖1 (a)熱可逆固-固型相變材料的制備、儲能和再回收機理示意圖,(b)純PEG8K和DC-PCMs在90℃加熱不同時間的數碼照片,(c)純PEG8K和DC-PCMs的紅外光譜圖,(d)DC-PCMs在50℃條件下DMF中浸泡72 h前后照片。

  近年來,動態共價鍵在常規條件下具有較好的穩定性,而在一定條件下具有可逆性,因此有望制備可再回收和再加工的熱固性材料。近日,四川大學高分子材料工程國家重點實驗室雷景新教授團隊結合動態鍵化學和聚乙二醇相變特性,采用經典Diels-Alder反應制備了聚乙二醇基固-固相變材料(DC-PCMs)。DC-PCMs具有穩定的化學交聯結構,使其具有優異的穩定性,在90°C時沒有泄露現象發生。同時,化學交聯鍵的存在使制備的DC-PCMs具有較好的力學性能,能滿足多種場合的應用。XRD和偏光照片證明了其具有優異的結晶能力,DSC結果表明制備的相變材料的較寬的溫度范圍內儲存和釋放熱能,且其焓值高達107.2 J/g。

圖2  (a)DC-PCMs的拉伸應力-應變曲線,(b)DC-PCMs儲存模量隨溫度的變化曲線,(c)不同溫度下DC-PCM8K的應力松弛曲線,(d)根據阿倫尼烏斯定律擬合的DC-PCM8K在不同溫度下的松弛時間,(e)原始和再加工DC-PCM8K的拉伸應力-應變曲線,(f)原始和再加工DC-PCM8K的DSC曲線,(g)DC-PCMs再加工流程圖,(h)DC-PCM8K的固態塑性示意圖。

  由于制備的DC-PCMs是由Diles-Alder反應產生化學交聯點的,該交聯點在一定條件下可以可逆的斷裂和重新形成。因此,Diles-Alder反應的高溫可逆性賦予了DC-PCMs材料獨有的可再加工性和固態塑性,在一定條件下(120°C和10 MPa)DC-PCMs可以被重新回收和加工成不同形狀。與傳統的相變材料相比,這種熱處理回收和再塑性工藝非常方便,使DC-PCMs在儲能應用方面具有巨大的優勢。在經過多次熱加工之后,改材料的力學性能和儲能性能幾乎不變,證明了其優秀的再加工性。同時,改材料具有良好的熱穩定性,其初始分解溫度大于280°C,遠高于其再加工溫度。該聚合物分子設計策略可擴展到其他動態化學鍵體系和相變功能組份,有望制備多種可回收的儲能材料,用于可再生能源的儲存,滿足人們可持續發展的愿望。同時,DC-PCMs的整個制造過程成本低廉,工藝簡單,適合大規模生產和應用。

  論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta08368e#!divAbstract

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