水基多元醇相变材料、不同粒径EG

本文是一篇关于利用表面活性剂对膨胀石墨（expanded graphite, EG）进行亲水改性，制备高潜热水基复合相变材料（phase change material, PCM）用于冷能存储的研究论文。该研究由Yali Liu、Ming Li、Xun Ma等作者共同完成，发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上，发表日期为2024年8月27日。

研究背景与目的

随着全球果蔬产量的增加，冷链物流技术在食品保鲜中发挥着至关重要的作用。然而，冷链物流消耗了大量的电能，因此降低冷链运输中的制冷能耗尤为重要。相变冷能存储技术通过相变过程吸收或释放热能，具有恒定的相变温度和高能量存储密度的优势，因此在冷链物流中具有广阔的应用前景。然而，现有的水基相变材料（PCM）存在热导率低、循环稳定性差等问题，限制了其实际应用。本研究旨在通过表面活性剂Triton X-100（TX-100）对膨胀石墨进行亲水改性，制备具有高潜热和良好热导率的复合相变材料，以解决现有材料的不足。

研究方法与流程

研究主要分为以下几个步骤： 1. 材料制备：首先通过微波热处理制备膨胀石墨（EG），然后利用TX-100对EG进行亲水改性，制备改性膨胀石墨（MEG）。接着，将MEG与甘氨酸水基相变材料（GW PCM）通过超声振荡混合，制备出不同MEG含量的复合相变材料（GW/MEG）。 2. 材料表征：通过BET比表面积分析、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段对EG和MEG的结构、形貌和功能基团进行表征。此外，还通过差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）对复合材料的相变行为和热稳定性进行了测试。 3. 热性能测试：通过DSC测量复合材料的相变温度、潜热和热导率，并进行了100次热循环实验，评估材料的循环稳定性。 4. 应用测试：将制备的GW/MEG2材料应用于草莓的冷藏保鲜实验，比较其与冰存储的预冷时间和保鲜效果。

主要研究结果

1. 亲水改性效果：通过TX-100改性后，MEG的亲水性显著提高，接触角从EG的79.6°降低到48.8°，且MEG与GW PCM的接触角从64.4°降低到11.3°。这表明TX-100的引入有效改善了MEG与GW PCM的相容性。
2. 热性能提升：随着MEG含量的增加，GW/MEG复合材料的热导率显著提高。当MEG含量为2%至8%时，热导率从0.88 W/(m·K)增加到1.28 W/(m·K)，增幅达46.47%至113.35%。同时，复合材料的相变温度保持在-5.35°C至-5.65°C之间，潜热为284.6 J/g至264.5 J/g。
3. 循环稳定性：经过100次热循环后，GW/MEG复合材料的相变温度和潜热波动较小，相变温度波动范围为-1.62%至+2.20%，潜热波动范围为-2.18%至-4.66%，表现出优异的循环稳定性。
4. 应用效果：在草莓冷藏实验中，GW/MEG2材料的预冷时间比冰存储缩短了56.60%，草莓在1.54°C至3.39°C的温度范围内可冷藏长达17.86小时，腐烂率比冰存储降低了10.11%。

研究结论与意义

本研究通过表面活性剂TX-100对膨胀石墨进行亲水改性，成功制备了具有高潜热和良好热导率的复合相变材料。该材料在冷链物流中表现出优异的冷能存储和释放性能，能够有效缩短预冷时间并延长食品的保鲜期。研究结果为冷链物流中的短距离运输提供了有效的解决方案，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 创新性方法：通过非共价功能化方法对膨胀石墨进行亲水改性，解决了传统涂层方法复杂且耗时的缺点。
2. 高性能复合材料：制备的GW/MEG复合材料在低MEG含量下实现了高热导率和高潜热的平衡，且循环稳定性优异。
3. 实际应用验证：通过草莓冷藏实验验证了材料在实际冷链运输中的有效性，展示了其在食品保鲜中的潜力。

其他有价值的内容

研究还对比了不同MEG含量对复合材料热性能的影响，发现低浓度MEG可以有效抑制潜热损失，同时提高热导率。此外，研究还通过Maxwell-Eucken模型对复合材料的热导率进行了理论预测，验证了实验结果的可靠性。

总体而言，本研究为冷链物流中的冷能存储材料提供了新的解决方案，具有重要的科学意义和实际应用价值。