邢美波，王宇辰，景棟梁，張洪發(fā)，王瑞祥

北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京市建筑能源高效綜合利用工程中心，北京 100044

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，電網(wǎng)負(fù)荷壓力大和峰谷負(fù)荷差問題日漸嚴(yán)重.具有削峰填谷作用的冰蓄冷技術(shù)可以有效緩解電網(wǎng)負(fù)荷壓力［1］，以水作為介質(zhì)的傳統(tǒng)冰蓄冷存在過冷度大、蓄冷時(shí)間長和蓄冷效率低等問題［2］.眾多研究者在相變材料中以一定方式和比例添加金屬、金屬氧化物或碳基等不同種類的納米粒子，制備成穩(wěn)定性強(qiáng)導(dǎo)熱性能好的新型換熱工質(zhì)，降低過冷度，減少蓄冷時(shí)間，從而提高蓄冷效率［3-7］.

碳納米管具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能［8］.常溫下單壁碳納米管的軸向熱導(dǎo)率為2 000～4 000 W/（m·K），而銅是傳統(tǒng)的優(yōu)良導(dǎo)熱材料，熱導(dǎo)率約為385 W/（m·K）［9］.近年來以碳納米管納米流體作為蓄冷工質(zhì)的研究層出不窮［10-13］，在傳統(tǒng)蓄冷介質(zhì)水中加入碳納米管可以提高介質(zhì)導(dǎo)熱性能從而縮短相變蓄冷時(shí)間，同時(shí)碳納米管超高的比表面積可以提供更多成核點(diǎn)位，促進(jìn)晶核形成［14］.但是碳納米管疏水性明顯，成核接觸角大，所需要的成核功相對(duì)較大，同時(shí)碳納米管在介質(zhì)中很容易發(fā)生團(tuán)聚和沉降問題.Fe3O4納米粒子具有優(yōu)良的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)［15］，其親水性比碳納米管好.賈朝富等［16］研究表明，將Fe3O4納米粒子包覆于多壁碳納米管（multi-walled carbaon nanotube，MWCNT）周圍所形成的MWCNT-Fe3O4復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)熱性能，相比碳納米管具有更好的親水性，能夠有效降低成核接觸角，以促進(jìn)晶核形成，親水性的增強(qiáng)在一定程度上緩解了碳納米管沉降和團(tuán)聚的問題.本研究基于化學(xué)共沉淀方法，引入酸處理和十二烷基苯磺酸鈉（sodium dodecyl benzene sulfonate，SDBS）表面修飾，制備了Fe3O4包覆MWCNT 納米復(fù)合材料.通過X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）和紅外光譜表征其物相，并采用電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）觀察Fe3O4包覆結(jié)構(gòu)和其流體分散性.通過6種蓄冷工質(zhì)H2O、SDBS + H2O、MWCNT + H2O、MWCNT + SDBS + H2O、MWCNTFe3O4+ H2O、MWCNT-Fe3O4+ SDBS+H2O 的凝固特性實(shí)驗(yàn)，分析過冷和相變凝固過程.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 MWCNT-Fe3O4蓄冷工質(zhì)制備與表征

實(shí)驗(yàn)材料采用直徑為10～20 nm、長度為10～30 μm、最低純度為95%的多壁碳納米管作為基礎(chǔ)碳源，將濃硝酸酸化后的MWCNT 作為功能化碳源.采用FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O作為合成過程中的鐵源，選用氨水作為反應(yīng)過程中的沉淀劑.

MWCNT-Fe3O4納米復(fù)合材料的制備工藝如圖1.首先對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行功能化改性.將1 g多壁碳納米管分散置于100 mL 的濃硝酸溶液，并放入平底燒瓶中，在60 ℃下反應(yīng)3 h，瓶口采用10 ℃冷凝回流，防止?jié)庀跛徇^度揮發(fā).反應(yīng)完成后，采用抽濾裝置將混合物脫水，并用蒸餾水稀釋.以上步驟重復(fù)數(shù)次，直至樣品酸堿度接近中性.樣品在80 ℃下干燥12 h，研磨得到酸化多壁碳納米管.

MWCNT-Fe3O4復(fù)合材料采用化學(xué)沉淀法制備，取0.1 g功能化MWCNT，加入10 mL去離子水，在50 ℃下超聲震蕩10 min.取0.27 g FeCl3·6H2O 和0.1 g FeCl2·4H2O 混合分散在去離子水中形成鐵鹽溶液，并與MWCNT溶液混合，在70 ℃下磁力攪拌30 min.攪拌期間滴加氨水創(chuàng)造堿性反應(yīng)環(huán)境，添加0.1 g SDBS 分散劑包裹Fe3O4和MWCNT，促進(jìn)Fe3O4和MWCNT更好復(fù)合.復(fù)合完成后利用磁性產(chǎn)物的特點(diǎn)，將磁鐵置于燒杯底部，使產(chǎn)物與基液分離，并通過加入純水反復(fù)洗滌至中性.隨后將樣品在80 ℃下干燥12 h，研磨得到MWCNT-Fe3O4納米復(fù)合材料.

蓄冷工質(zhì)采用兩步法進(jìn)行制備.將去離子水和添加劑加入燒杯中攪拌，隨后放入超聲波震蕩儀中進(jìn)行超聲震蕩.每間隔5 min 取出靜置冷卻，待泡沫消除后繼續(xù)震蕩，重復(fù)6 次，累計(jì)超聲30 min，制得穩(wěn)定的納米流體.6 種流體成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1.

表1 蓄冷工質(zhì)成分參數(shù)Table 1 Component parameters of cool storage medium %

采用日本電子JEM2100高倍透射電子顯微鏡分析樣品分散性和形貌；使用pekin-Elmer Spectrum GX 紅外光譜儀測(cè)試樣品紅外光譜圖，通過峰值分析材料所包含的物質(zhì)種類；使用型號(hào)為XPert PRO MPD 的X 射線粉末衍射光譜分析制備樣品晶相的成分；采用高速攝像機(jī)（Phantom VEO440）對(duì)材料的接觸角進(jìn)行拍攝，并運(yùn)用繪圖軟件進(jìn)行標(biāo)注.

1.2 凝固特性實(shí)驗(yàn)

圖2為蓄冷實(shí)驗(yàn)流程，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)兩部分.蓄冷系統(tǒng)由控溫精度為±0.05 ℃的西安夏溪C3150恒溫水浴構(gòu)成.水浴中配有蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，該系統(tǒng)連接有壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由精度為1 ℃的J 型熱電偶、精度為0.004%的Agilent34970A和計(jì)算機(jī)組成.實(shí)驗(yàn)中低溫恒溫水浴為試管中的20 mL液體提供-15 ℃蓄冷環(huán)境，處于試管中部的J 型熱電偶將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸gilent34970A 中，通過計(jì)算機(jī)得到溫度與時(shí)間的關(guān)系圖（步冷曲線圖）.在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，以獲得平均過冷度和蓄冷時(shí)間.該實(shí)驗(yàn)中過冷度和蓄冷時(shí)間的最大偏差分別小于1.2 ℃和12 s.

圖2 蓄冷實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 (Color online) Flow diagram of the cold storage experiment.

2 結(jié)果與討論

2.1 MWCNT-Fe3O4蓄冷工質(zhì)表征

在3 000～300 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)，紅外掃描功能化MWCNT 和MWCNT-Fe3O4復(fù)合納米材料，結(jié)果如圖3.由圖3可見，功能化MWCNT在2 910 cm-1和1 630 cm-1的振動(dòng)峰分別對(duì)應(yīng)羥基—OH 和羰基—C=O，波數(shù)1 380 cm-1和1 062 cm-1的振動(dòng)峰分別對(duì)應(yīng)甲基CH3和共軛羰基C—O—C.表明功能化后的MWCNT 缺陷處的碳被氧化成羥基和羰基.從MWCNT-Fe3O4復(fù)合納米材料的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)，在波數(shù)559 cm-1處對(duì)應(yīng)Fe—O 鍵的振動(dòng)峰，表明Fe3O4已包覆在MWCNT的表面.

圖3 紅外光譜對(duì)比Fig.3 (Color online) Infrared spectrum comparison between MWCNT (dashed line) and MWCNT-Fe3O4 (solid line).

采用高倍透射電子顯微鏡對(duì)MWCNT-Fe3O4復(fù)合納米材料進(jìn)行表征，結(jié)果如圖4.從圖4 可見，黑色點(diǎn)狀物Fe3O4包覆于MWCNT 周圍.MWCNT 很容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，制備過程采用MWCNT 功能化和分散劑包裹，可以有效避免團(tuán)聚發(fā)生，并且沒有破壞納米管結(jié)構(gòu).由圖4可見，MWCNT-Fe3O4復(fù)合納米流體分散性良好，沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象產(chǎn)生.

圖4 MWCNT-Fe3O4復(fù)合納米流體TEM圖 （a）標(biāo)尺為200 nm；（b）標(biāo)尺為50 nmFig.4 Transmission electron micrographs of MWCNT-Fe3O4 composite nanofluid with magnification scales (a) 200 nm and(b) 50 nm.

采用XRD 可以分析材料中所含物質(zhì)種類和結(jié)構(gòu)，通過謝樂公式計(jì)算晶體粒徑.圖5為MWCNTFe3O4復(fù)合納米材料的XRD 圖.從圖5 中的峰線可以看出，樣品存在MWCNT 和Fe3O4兩種物相，在30.15°、35.72°、43.32°、53.85°、57.35°和63.12°處的6個(gè)衍射峰代表復(fù)合材料的譜線中Fe3O4的峰，對(duì)應(yīng)立方尖晶石結(jié)構(gòu)的（220）、（311）、（400）、（422）、（511）和（440）晶面.另外，26.3°處的特征峰對(duì)應(yīng)為石墨，與MWCNT有關(guān).Fe3O4完整的衍射峰表明，其在包覆MWCNT 的過程中沒有受到破壞，保留著完好的磁性能［17］.

圖5 MWCNT-Fe3O4復(fù)合納米材料XRD衍射圖Fig.5 XRD diffraction pattern of MWCNT-Fe3O4 composite nanomaterials.

采用謝樂公式可以計(jì)算晶體的平均粒徑，

其中，β為半高寬；θ為衍射角；λ為X 射線波長.包覆于MWCN周圍的Fe3O4粒徑為10.87 nm.

對(duì)未經(jīng)處理的MWCNT和MWCNT-Fe3O4進(jìn)行接觸角測(cè)量，結(jié)果如圖6.由圖6 可見，MWCNTFe3O4接觸角為93°，比未經(jīng)處理的MWCNT 減小了40°，表明親水性提高.這是由于Fe3O4有較好的親水性，包覆在MWCNT 表面，所形成的復(fù)合材料提高了親水性.

圖6 納米材料接觸角 （a）MWCNT；（b）MWCNT-Fe3O4Fig.6 (Color online) Contact angle of nanoparticles.(a) MWCNT and (b) MWCNT-Fe3O4.

2.2 過冷度抑制

對(duì)已制備的6種蓄冷工質(zhì)進(jìn)行凝固行為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到步冷曲線，結(jié)果可掃描論文末頁右下角二維碼查看，見圖S1.并將6種流體的晶核出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，如圖7.由圖7 可見，SDBS+H2O、MWCNT+H2O、MWCNT-Fe3O4+H2O、MWCNT+SDBS+H2O 和MWCNT-Fe3O4+SDBS+H2O 五種蓄冷工質(zhì)相比基液H2O，晶核出現(xiàn)時(shí)間逐漸減少，降幅分別為2.4%、9.9%、18.1%、35.6%和48.8%.在基液水中引入分散劑SDBS 對(duì)過冷度和晶核出現(xiàn)時(shí)間有一定程度的減少.另外在基液中添加MWCNT也可以明顯降低其過冷度和晶核出現(xiàn)時(shí)間.碳納米管直徑接近水分子的尺寸，比表面自由能小，起到成核劑的作用，結(jié)晶過程中晶核會(huì)優(yōu)先在碳納米管表面上形成，進(jìn)而優(yōu)化基液成核過程.

圖7 六種流體晶核出現(xiàn)時(shí)間對(duì)比Fig.8 Comparison of the appearance times of the six fluid crystals.

在基液中引入MWCNT-Fe3O4相比MWCNT將進(jìn)一步降低過冷度，縮短晶核出現(xiàn)時(shí)間.Fe3O4相比MWCNT 親水性更好，因此在MWCNT 表面包覆Fe3O4可以降低接觸角.隨著接觸角的減小，與成核密切相關(guān)的成核位壘便會(huì)降低，所需的成核功減小，成核更加容易，同時(shí)親水性的增強(qiáng)改善納米材料在基液中的分散性和穩(wěn)定性，提供更多的成核表面，進(jìn)一步優(yōu)化晶核形成過程.實(shí)驗(yàn)繼續(xù)將SDBS添加到MWCNT+H2O 和MWCNT-Fe3O4+H2O 兩種蓄冷工質(zhì)中，過冷度和晶核出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)一步降低.一方面SDBS 將MWCNT 和MWCNT-Fe3O4納米材料包裹起來，在納米材料表面產(chǎn)生親水基團(tuán)，促進(jìn)其在基液中分散，通過解團(tuán)聚進(jìn)而增加納米材料的非均勻成核表面；另一方面多余的SDBS 自身提供成核表面，促進(jìn)基液成核.綜上所述，MWCNT-Fe3O4+SDBS + H2O在材料方面引入Fe3O4，減小了接觸角，降低了成核功，又在蓄冷工質(zhì)制備方面包裹SDBS，促進(jìn)納米材料在基液中進(jìn)一步分散.因此它具有最佳的成核特性，與水相比過冷度降低了48.9%，晶核出現(xiàn)時(shí)間縮短了48.8%.

2.3 相變凝固時(shí)間

根據(jù)凝固特性實(shí)驗(yàn)得到6種蓄冷工質(zhì)的相變結(jié)晶時(shí)間和總蓄冷時(shí)間（圖8）.由圖8 可見，H2O、SDBS+H2O、MWCNT+H2O、MWCNT+SDBS+H2O、MWCNT-Fe3O4+H2O 和MWCNT-Fe3O4+SDBS+H2O 的相變結(jié)晶時(shí)間分別為270、288、249、255、240 和267 s.相比不添加SDBS，在H2O、MWCNT+H2O和MWCNT-Fe3O4+H2O中添加SDBS時(shí)，相變結(jié)晶時(shí)間分別增加6.6%、2.4%和11.3%.影響相變結(jié)晶生長的關(guān)鍵在于傳熱速率，結(jié)晶過程中放出的凝固熱會(huì)阻礙晶體的生長.在基液中添加表面活性劑，表面活性劑較低的熱導(dǎo)率以及表面活性劑吸附層產(chǎn)生的界面熱阻會(huì)降低流體的整體熱導(dǎo)率，增加流體相變結(jié)晶時(shí)間.

圖8 六種流體相變凝固時(shí)間與總蓄冷時(shí)間對(duì)比Fig.8 Phase change solidification time (left axis) and the total storage time (right axis) for six fluids.

相變結(jié)晶時(shí)間雖然在一定程度上能夠體現(xiàn)蓄冷介質(zhì)在相變過程的換熱能力，但是由于成核階段也存在換熱和冷量儲(chǔ)存，因此用總蓄冷時(shí)間分析整個(gè)蓄冷過程的換熱更為全面.H2O、SDBS+H2O、MWCNT+H2O、MWCNT+SDBS+H2O、MWCNTFe3O4+H2O 和MWCNT-Fe3O4+SDBS+H2O 的總蓄冷時(shí)間分別為516、513、423、390、408和393 s.在基液水中添加SDBS 對(duì)總蓄冷時(shí)間影響較小，在水中添加MWCNT 納米材料可以明顯縮短總蓄冷時(shí)間.MWCNT 納米材料自身超高的導(dǎo)熱性能可以強(qiáng)化流體換熱能力，進(jìn)而強(qiáng)化蓄冷工質(zhì)的凝固特性.同時(shí)在基液中添加MWCNT-Fe3O4，相比MWCNT將進(jìn)一步縮短總蓄冷時(shí)間.由于Fe3O4相比MWCNT 親水性更好，MWCNT-Fe3O4相比MWCNT 分散性和穩(wěn)定性更高，更有助于納米材料在基液解團(tuán)聚，進(jìn)而強(qiáng)化納米流體導(dǎo)熱能力.繼續(xù)將SDBS 添加到MWCNT+H2O 和MWCNT-Fe3O4+H2O 兩 種 蓄 冷 工 質(zhì)中，總蓄冷時(shí)間進(jìn)一步降低.SDBS 的引入促進(jìn)納米材料在基液中進(jìn)一步分散，從而改善蓄冷工質(zhì)的凝固特性.綜上所述，MWCNT-Fe3O4+SDBS+H2O在材料方面引入了Fe3O4.促進(jìn)其在流體中的分散能力，又在蓄冷工質(zhì)制備方面包裹SDBS，促進(jìn)納米材料在基液中的進(jìn)一步解團(tuán)聚.因此，它具有良好的凝固特性，與水相比總蓄冷時(shí)間縮短了23.8%.

3 結(jié) 論

在化學(xué)共沉淀方法基礎(chǔ)上引入酸處理和分散劑改性兩種界面修飾方法，成功制備高性能Fe3O4包覆MWCNT 復(fù)合材料蓄冷工質(zhì)，并針對(duì)其凝固特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，可知：

1）采用MWCNT 功能化和分散劑包裹，可以有效避免團(tuán)聚發(fā)生，通過TEM 可以看出Fe3O4吸附于MWCNT 周圍形成了Fe3O4包覆結(jié)構(gòu)，其蓄冷工質(zhì)在基液中的分散性良好；

2）MWCNT的添加可以強(qiáng)化蓄冷工質(zhì)的凝固特性，與H2O 相比，MWCNT+SDBS+H2O 的過冷度降低了35.5%，晶核出現(xiàn)時(shí)間縮短了45.1%，相變結(jié)晶時(shí)間縮短了5.5%，蓄冷總時(shí)間縮短了24.4%；

3）MWCNT-Fe3O4的添加可以有效提高水基蓄冷工質(zhì)的相變凝固特性，在強(qiáng)化成核方面尤為突出.與H2O相比，MWCNT-Fe3O4+SDBS+H2O的過冷度降低了48.9%，晶核出現(xiàn)時(shí)間縮短了48.8%，總蓄冷時(shí)間縮短了23.8%.

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