添加改性纳米碳和碳化硅颗粒对芒硝相变材料吸光、透光性能的影响

铁生年,黄伟豪,孙增宝,陈凤兰

(青海大学 新能源光伏产业研究中心,西宁 青海 810016)

随着纳米技术快速发展,研究者开始逐步将纳米技术应用于相变材料,美国阿贡国家实验室的Lee等[1]首次提出纳米流体的概念。Donghyun等[2]首次提出将纳米颗粒融入基于熔盐的流体中,之后国内外研究者开始对纳米粒子相变材料(phase change materials,PCM)性能进行研究。Khodadadi等[3]报道,添加纳米颗粒盐水合物(nano-enhance phase change materials,NePCM),由于盐水合物成本低,因此PCM在太阳光建筑采暖和制冷应用中得到了广泛的应用。由于水合盐的腐蚀性,因此尚未与电子产品一起进行探索,盐水化合物PCM的其中一个缺点是过冷度大的问题。PCM的蓄热和释放总是依赖于温度的。相反,利用盐水合物PCM的过冷效应增强电池的热管理是一项具有重要意义的研究工作,通过触发机制根据需要启动热的释放和储存。Wang等[4]在熔融石蜡中加入多壁纳米碳管,得到纳米碳管石蜡复合相变材料,研究发现,与纯石蜡相比,复合相变材料的相变潜热降低了,而且复合相变材料的热导率随着纳米碳管在液体和固体区域含量的增大加而增大。Mo等[5]在水中加入二氧化钛纳米颗粒,研究发现,二氧化钛纳米颗粒有效降低了纯水的过冷度,纳米颗粒可以作为水的成核剂,诱导水分子的异质成核,促进水分子的结冰Elgafy[6]将纳米碳纤维分散到石蜡中得到纳米纤维石蜡复合物,研究发现,添加纳米碳纤维可以提高石蜡的导热性,而且复合材料的导热性能随着纳米碳纤维含量的增大而不断提高。刘玉东[7]通过在低温共晶盐BaCl2-H2O溶液中加入TiO2纳米颗粒,制备了纳米复合相变材料,研究发现,该材料显著提高了溶液的导热性,降低复合相变材料的过冷度,同时降低了溶解热和比热容。杨硕等[8]对水和Al2O3-H2O纳米流体的相变蓄冷性能进行了比较,研究发现,纳米颗粒的加入降低了水的过冷度,缩短冻结时间,而且纳米流体的蓄冷能力在同等时间内大于纯水的。张鸿声等[9]研究了纳米铜粉与石蜡相变复合储能材料的性能,研究发现,纳米铜粉的加入对相变温度没有影响,只是略微降低了石蜡相变复合储能材料的相变潜热,不但能有效提高石蜡的导热系数,而且纳米铜粉与石蜡复合材料还具有较好的热稳定性。柳馨等[10-11]将纳米碳粉与Na2SO4·10H2O复合后,发现Na2SO4·10H2O的过冷度有所降低,导热系数和热扩散系数增大,比热容降低。张雨等[12-13]通过向Na2SO4·10H2O基复合相变材料中添加改性多壁纳米碳管制备纳米流体,研究发现,经过长时间的静置后没有出现相分层,消除Na2SO4·10H2O的相分离现象。纳米碳颗粒和纳米碳化硅颗粒具有良好的导热系数,是铜和铝的10倍左右,具备成熟的制备方法,制造成本低,价格低廉,具备良好的市场价值[14]。

芒硝相变材料存在过冷严重和热导率低的缺点,严重限制了其在储能领域中的运用[15]。此外,芒硝相变材料具有存储太阳能热能的巨大潜力,但是目前对于其在太阳能存储效率及光热转化效率方面的研究较少。添加纳米颗粒分散在盐水合物的性能主要取决于需要改性的纳米颗粒热物理性质。高导热率的纳米添加剂的分散往往会提升盐水合物PCM的导热率,如多壁纳米碳管(multiwalled carbon nanotube,MWCNT)和石墨烯纳米颗粒的导热率约为3 000、5 300 W·m-1·K-1[16-17]。纳米添加剂具有较好缓蚀性能,可以解决腐蚀问题,更好的成核剂会降低过冷效果,适当添加黏合剂会消除相分离的问题,常用的纳米碳添加剂包括纳米碳管(carbon nanotube,CNT)、纳米棒、石墨烯和石墨[18]。多种纳米碳添加剂被广泛应用于盐水合物中,以克服低导热性问题。纳米碳颗粒的导电性是决定复合相变材料在杂化时的导热性的重要因素。纳米碳管、纳米碳纤维、石墨烯和石墨是常见的掺杂盐水合物PCM的碳添加剂。热性能的增强取决于添加剂的表面积,石墨烯和单壁纳米碳管由于具有较大的表面能和表面积而表现出较高的热性能。碳添加剂的加入对复合相变材料的储能密度也产生了负面影响,纳米添加剂的加入降低了活性盐水合物的用量[19]。将相变材料分别与纳米碳和纳米碳化硅复合,能够整合纳米颗粒的优势,进一步研究该纳米颗粒复合相变材料对可见光、紫外光和红外光的吸收特性,能为纳米颗粒芒硝相变材料快速光热响应提供研究基础,从而获得在智能纺织、建筑节能、红外伪装技术、日光温室大棚、太阳能集热系统、红外-可见光兼容隐身技术等领域有很大应用潜力的复合相变材料,因此本文中采用化学方法改性纳米碳颗粒,采用物理手段改性纳米碳化硅颗粒,制备出改性纳米碳颗粒和改性纳米碳化硅颗粒芒硝复合相变材料,通过在传统芒硝基相变材料基础上设计添加不同含量的改性纳米颗粒,提高了芒硝相变储能材料对不同波长光的吸光度,有助于提高其太阳能的光热转换效率。本研究中主要集中在纳米添加剂与盐水合物PCM的集合,并对其吸光、透光性能进行表征测试,为下一步纳米添加剂PCM被用于太阳光建筑材料采暖的热舒适度控制,推动盐水合物PCM的产业化,开展许多以实时实验和应用为导向的研究工作提供基础性数据。

1 材料与方法

1.1 主要试剂与仪器设备

试剂、材料:十水硫酸钠、纳米碳化硅(纯度质量分数为99.9%,粒径为10 nm)、纳米碳粉(纯度质量分数为99.5%,粒径为10 nm)、四甲基氢氧化铵(TMAH,质量分数为25%的水溶液); 聚乙烯吡咯烷酮(平均相对分子质量为58 000,上海阿拉丁公司); 十二水合磷酸氢二钠(分析纯,国药集团化学试剂有限公司); 浓硫酸(分析纯,白银良友化学试剂有限公司); 浓硝酸(分析纯,白银良友化学试剂有限公司); 去离子水(实验室自制)。

仪器设备:UH4150型积分反射仪(日本日立公司); Sysmex FPIA-3000型鞘流法图像分析仪(英国马尔文帕纳科公司)。

1.2 改性纳米碳颗粒的制备

称取1 g的纳米碳粉,取30 mL的浓硫酸和10 mL的浓硝酸配置成混合酸; 然后将混合酸与纳米碳粉混匀,同时加热至60 ℃并搅拌25 min; 将溶液倒入离心管以转速为4 000 r/min的速度离心分离6 min; 倒掉上清液,加入去离子水,再次离心分离,重复操作5～6次直到滤液成中性;离心完成后将所得沉淀放入烘箱,在60 ℃下干燥12 h得到样品;对样品进行研磨备用。

1.3 改性碳化硅颗粒的制备

称取1 g的纳米碳化硅,加入0.02 g的聚乙烯吡咯烷酮和40 mL的去离子水,混合均匀;然后将其倒入球磨罐,以转速为300 r/min的速度球磨1 h;之后滴加1 mL的TMAH,继续以转速为300 r/min的速度球磨1 h;完成后将样品进行离心,倒掉上清液加入去离子水继续离心分离直至滤液成中性;离心完成后将沉淀放入烘箱,在60 ℃下干燥12 h;干燥完成后对样品进行研磨备用。

1.4 纳米颗粒芒硝相变材料的制备

称取2 g的Na2SO4·10H2O和8 g的Na2HPO4·12H2O,在50 ℃下水浴熔融45 min;分别称取质量分数为0.1%、0.5%、1.0%的改性纳米碳颗粒和改性纳米碳化硅颗粒加入液相的芒硝复合相变材料; 在40 ℃下超声3 h,使纳米颗粒均匀分散在液相中;完成后放置在室温条件下冷却固化备用。

2 结果与分析

2.1 纳米颗粒分散性

2.1.1 纳米颗粒在水基中的分散性

利用鞘流法图像分析仪,测定改性纳米颗粒在水基中的粒径分布以及纳米颗粒在水中的形貌结构。图1所示为改性纳米碳粉在水中的微粒分布图,其中图1(a)是改性纳米碳颗粒的鞘流法图像,图1(b)是改性纳米碳颗粒的粒径分布图。由图1(a)可见,改性后纳米碳颗粒呈圆形,结构形状相比于改性前并没有太大变化,同时也没有团聚现象的发生,而其中某些形状较大的颗粒可能是样品液中杂质颗粒,说明纳米碳粉颗粒能够很好地分散在水相体系中。由图1(b)可见,在水中数量在90%以上的改性纳米碳粉粒径分布在0～5 nm,说明改性纳米碳粉颗粒在水中分布的比较均匀。

(a)鞘流法图像

图2所示为改性纳米碳化硅颗粒在水中的微粒分布图,其中图2(a)是改性纳米碳化硅颗粒的形貌图,图2(b)是改性纳米碳化硅颗粒粒径分布图。由图2(a)可见,改性纳米碳化硅颗粒呈圆形,没有发生黏结现象,而其中某些形状较大的颗粒可能是样品液中的杂质颗粒,说明纳米碳化硅颗粒能够很好地分散在水相体系中。由图2(b)可以发现,在水中数量在95%以上改性纳米碳化硅颗粒粒径分布在0～15 nm,说明改性纳米碳化硅颗粒在水中分布的比较均匀。以上结果表明,采用包覆改性方法改性的纳米碳化硅在水基中具有较好的分散性。

(a)鞘流法图像

综上,不论是纳米碳粉还是纳米碳化硅,经过改性后,拍摄到的微粒图像基本都是悬浮的单个粒子,其形貌结构基本保持不变,并且没有发生团聚现象,说明改性后的纳米颗粒在水中具有良好的分散性。

2.1.2 纳米颗粒在芒硝基复合盐中的分散性

利用鞘流法图像分析仪,测定在45 ℃条件下改性纳米颗粒在芒硝基相变复合材料中的粒径分布以及形貌结构。图3所示为改性纳米碳粉在芒硝基相变复合材料中的微粒分布图,其中图3(a)为改性纳米碳的鞘流法图像,图3(b)是改性纳米碳粉的粒径分布图。由图3(a)可见,纳米碳颗粒呈球形,并且没有发生团聚现象,其中个别形状比较大的颗粒可能是样品液中的杂质颗粒或者是经过超声仍未分散的纳米碳颗粒,说明改性纳米碳粉能够很好地分散在芒硝相变体系中。由图3(b)可见,在盐中数量在90%以上改性纳米碳粉的粒径分布在0～15 nm,说明改性纳米碳粉在芒硝基相变复合材料中具有较好的分散性。

(a)鞘流法图像

图4所示为改性纳米碳化硅颗粒在芒硝基相变复合材料中的微粒分布图,其中图4(a)为改性纳米碳化硅颗粒的鞘流法图像,图4(b)为改性纳米碳化硅颗粒的粒径分布图。由图4(a)可见,纳米碳化硅颗粒呈球形且没有团聚现象的发生,说明改性纳米碳化硅颗粒能够很好地分散在芒硝相变体系中,其中个别形状比较大的颗粒可能是样品液中的杂质颗粒或者是芒硝中的盐颗粒。由图4(b)可见,数量在90%以上改性纳米碳化硅颗粒在盐中的粒径分布在0～15 nm,揭示在芒硝基相变材料中分布较均匀,说明改性纳米碳化硅颗粒在芒硝基相变复合材料中具有较好的分散性。

(a)鞘流法图像

综上,当改性纳米碳粉和纳米碳化硅加入芒硝基相变复合材料后,可以发现通过图像分析仪拍摄的微粒基本都是悬浮的单个粒子,而且其颗粒的形貌结构基本保持不变,且没有发生团聚现象,表明改性纳米颗粒在芒硝基相变复合材料中具有良好的分散性。

2.2 纳米颗粒相变材料稳定性

2.2.1 纳米碳颗粒芒硝相变复合材料稳定性

图5所示为添加未改性的纳米碳粉的芒硝复合相变材料的液相与固相,其中图5(a)是在50 ℃烘箱中静置7 d的,图5(b)是在室温下放置7 d的。由图5(a)可见,未改性的碳粉在芒硝复合相变材料的液相中出现了明显的颗粒层以及团聚现象。从图5(b)中可以发现,未改性的碳粉在芒硝复合相变材料的固相中出现了颗粒层以及团聚现象,同时结晶后颜色不一,在芒硝基相变材料中分布不均匀,说明未改性的纳米碳粉在芒硝基相变材料中极度不稳定。

(a)熔融态

图6所示为添加改性纳米碳粉的芒硝复合相变材料在50 ℃烘箱中静置7 d的结果。由图可见,随着碳粉添加质量的变化(质量分数为0.1%、0.5%、1.0%),改性纳米碳粉在液相的芒硝复合相变材料中由于长时间的重力沉降作用,因此使得纳米碳粉在底部有些许沉积,但并未出现颗粒层,说明改性碳粉在液相的芒硝复合相变材料中具有良好的稳定性。

(a)0.1%

图7 所示为添加改性纳米碳粉的芒硝复合相变材料在室温下放置7 d的结果。由图可见,随着碳粉添加质量的变化(质量分数为0.1%、0.5%、1.0%),改性后的纳米碳粉在固相的芒硝复合相变材料中出现了絮状的团聚现象,这是由水合盐结晶时不可避免会对纳米碳颗粒产生挤压排斥导致的,但整体分布较为均匀,未出现大量纳米碳颗粒沉积现象,说明改性后的纳米碳粉在芒硝复合相变材料中具有较好的稳定性。

(a)0.1%

图8所示为改性前后纳米碳粉的红外谱图。由图可以看出,用混酸改性后的碳粉中出现在波数为3 400 cm-1处的—OH键的特征峰较为明显,说明其亲水性增强[16]。综上,相比于未改性的纳米碳粉,改性纳米碳粉在芒硝复合相变材料中的稳定性大幅度提高。

图8 改性前后纳米碳粉的FTIR谱图

2.2.2 纳米碳化硅颗粒芒硝相变复合材料稳定性分析

图9所示为添加未改性的纳米碳化硅的芒硝复合相变材料的液相与固相,其中图9(a)是在50 ℃烘箱中静置24 h的,图9(b)是在室温下放置7 d的。由图9(a)可见,未改性的碳化硅在芒硝复合相变材料的液相中出现了明显的颗粒层以及团聚现象。由图9(b)可见,未改性的碳化硅在芒硝复合相变材料的固相中出现了颗粒层以及团聚现象,同时结晶后颜色不一,在芒硝基相变材料中分布不均匀,说明未改性的纳米碳化硅在芒硝基相变材料极度不稳定。

(a)熔融态

图10所示为添加改性纳米碳化硅的芒硝复合相变材料在50 ℃烘箱中静置24 h的结果。由图可以发现,随着碳化硅添加质量分数的变化(质量分数为0.1%、0.5%、1.0%),颗粒分层现象有所减弱。这是由于随着纳米碳化硅颗粒的添加量的增加,颗粒间的分子碰撞加剧使得其在相变材料在具有更优异的分散稳定性,说明添加质量分数为1.0%改性碳化硅在液相的芒硝复合相变材料中具有良好的稳定性。

(a)0.1%

图11所示为添加改性纳米碳化硅的芒硝复合相变材料在室温下放置7 d的结果。由图可见,随着碳化硅添加质量分数的变化(质量分数为0.1%、0.5%、1.0%),改性纳米碳化硅在固相的芒硝复合相变材料中随着结晶体的并未出现严重的颗粒分层,在固相中基本均匀分布,表明改性纳米碳化硅在芒硝复合相变材料中具有较好的稳定性。

(a)0.1%

图12 改性前后纳米碳化硅的FTIR谱图

综上,相比于未改性的纳米碳化硅,改性后的纳米碳化硅在芒硝复合相变材料中的稳定性大幅度提高。这是由于添加改性纳米颗粒的尺度效应和亲水性能使得颗粒的布朗运动能够在复合相变材料中保持稳定的状态,因此抑制了团聚后沉降的现象。

2.3 纳米颗粒水相体系和相变材料体系吸光、透光性

2.3.1 纳米颗粒水相体系吸光透、光度分析

图13所示为添加不同质量分数的改性纳米碳粉后水相体系的吸光度和透光率曲线,其中图13(a)是吸光度曲线,图13(b)是透光率曲线。由图13(a)可见,相比于纯水,添加碳粉后,主要提升了对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸光度,且提升程度随着添加量的增多只呈现略微变化,变化率不超过5%,几乎无影响。由图13(b)可以发现,与纯水相比,添加改性纳米碳粉后水相体系对可见光(波长为400～780 nm)和红外光(波长为780～3 200 nm)的平均透过率有了不同程度的变化,其中当添加质量分数为0.1%的改性纳米碳粉时,对可见光(波长为400～780 nm)的平均透过率下降了30%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的平均透过率下降了36%;当添加质量分数为0.5%的改性纳米碳粉时,对可见光(波长为400～780 nm)的平均透过率下降了29%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的平均透过率下降了36%;这主要是由于经过强酸改性后纳米碳颗粒粒径小,数量巨大,这些纳米碳颗粒之间的间隙非常小,使得光线照射在纳米碳表面时,会在颗粒之间反复散射,使得其透光率显著下降。当添加质量分数为1.0%的改性纳米碳粉时,对可见光(波长为400～780 nm)的平均透过率下降了18%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的平均透过率上升了20%,原因是纳米碳颗粒添加量过多导致部分纳米碳产生沉降堆积,使得其透过率有所上升。

(a)吸光度曲线

图14所示为添加不同质量分数的改性纳米碳化硅后水相体系的吸光度和透光率曲线,其中图14(a)是吸光度曲线,图14(b)是透光率曲线。由图14(a)可看出,相比于纯水,添加碳化硅后,主要提升了对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸光度,且提升程度不随添加量的增多而变化。由图14(b)可见,与纯水相比,添加改性纳米碳化硅后水相体系对可见光(波长为400～780 nm)和红外光(波长为780～3 200 nm)的平均透过率有了不同程度的变化,其中当改性纳米碳化硅的质量分数为0.1%时,对可见光(波长为400～780 nm)的平均透过率下降了32%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的平均透过率下降了36%;当质量分数0.5%时,对可见光(波长为400～780 nm)的平均透过率下降了29%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的平均透过率下降了33%;当添加改性纳米碳化硅的质量分数为1.0%时,对可见光(波长为400～780 nm)的平均透过率下降了30%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的平均透过率下降了35%,原因是由于纳米碳化硅颗粒增强了光线在水中的反射和散射,使得其透过率显著降低。

(a)吸光度曲线

综上,添加改性纳米碳粉后,其水相体系的吸光度变化主要集中在紫外光(波长为200～400 nm),有显著提高。这是由于当入射光子频率与颗粒表面的自由电子的振动频率相匹配时,纳米颗粒会对光子产生很强的吸收作用,产生局部表面等离子共振现象。使得水相纳米流体的吸光度有所提高,但其并未随纳米颗粒的添加量增加而增大,原因可能是纳米颗粒过量添加,使得部分纳米颗粒有所团聚沉降,无法进一步提高其吸光度。

2.3.2 纳米碳颗粒芒硝相变复合材料吸光、透光度分析

图15所示为添加不同质量分数的改性纳米碳粉后芒硝相变复合材料的吸光度和透光率曲线,其中图15(a)是吸光度曲线,图15(b)是透光率曲线。由图15(a)可见,芒硝相变复合材料添加纳米碳粉前、后,其主要的吸收波长都集中在紫外光(波长为200～400 nm)和红外光(波长为2 700～3 200 nm)。相比于纯复合盐,添加改性纳米碳粉的质量分数为0.1%时,对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸收程度提升了35%,对红外光(波长为2 700～3 200 nm)的吸收范围衰减了1.5%;添加改性纳米碳粉的质量分数为0.5%时,对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸收程度提升了20%,对红外光(波长为2 700～3 200 nm)的吸收范围衰减了0.3%;添加改性纳米碳粉的质量分数为1.0%时,对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸收程度提升了28%,对红外光(波长为2 700～3 200 nm)的吸收范围衰减了0.3%。

(a)吸光度曲线

由图15(b)可见,芒硝相变复合材料主要对可见光(波长为400～780 nm)和红外光(波长为780～2 700 nm)光的透光率有较大的变化。相比于纯复合盐,添加改性纳米碳粉的质量分数为0.1%时,对可见光(波长为400～780 nm)的透光率下降了35%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的透光率下降了42%,对红外光(波长为1 500～2 700 nm)的透光率下降了8%;添加改性纳米碳粉的质量分数为0.5%时,对可见光(波长为400～780 nm)的透光率下降了26%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的透光率下降了11%,对红外光(波长为1500～2 700 nm)的透光率上升了11%;添加改性纳米碳粉的质量分数为1.0%时,对可见光(波长为400～780 nm)的透光率下降了27%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的透光率下降了10%,对红外光(波长为1 500～2 700 nm)的透光率上升了10%。

综上,添加纳米碳粉后,芒硝相变复合材料对紫外光(波长为200～400 nm)的吸收程度提升了,并且随着添加量的增加,平均吸光度呈先降后升的趋势; 对红外光(波长为1 500～3 200 nm)的吸收范围变窄了,且变化程度随着添加量的增加呈先下降后稳定的趋势。对可见光(波长为400～780 nm)和红外光(波长为780～1 500 nm)的平均透过率下降了,并且随着添加量的增加,可见光(波长为400～780 nm)的平均透过率呈先下降后上升的趋势;对红外光(波长为1 500～2 700 nm)的平均透过率随添加量的增加呈先下降后上升的趋势。这是由于改性纳米碳粉表面存在优异的亲水性基团,与芒硝相变材料混合后产生不同的吸光、透光性。当入射光子频率与纳米碳颗粒表面的自由电子的振动频率相匹配时,纳米碳颗粒会对光子产生很强的吸收作用,发生局部表面等离子共振现象,否则相反。

2.3.3 纳米碳化硅颗粒芒硝相变复合材料吸光、透光度分析

图16所示为添加不同质量分数的改性纳米碳化硅后芒硝相变复合材料的吸光度和透光率曲线,其中图16(a)是吸光度曲线,图16(b)是透光率曲线。由图16(a)可见,芒硝相变复合材料添加纳米碳粉前、后,其主要的吸收波长都集中在紫外光区(波长为200～400 nm)和红外光(波长为2 700～3 200 nm)。相比于纯复合盐,添加纳米碳化硅颗粒的质量分数为0.1%时,对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸收程度提升了26%,对红外光(波长为2 700～3 200 nm)的吸收范围衰减了0.3%;添加纳米碳化硅颗粒的质量纳米碳化硅颗粒的为0.5%时,对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸收程度提升了22%,对红外光(波长为2 700～3 200 nm)的吸收范围衰减了0.3%;添加纳米碳化硅颗粒的质量分数为1.0%时,对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸收程度提升了26.6%,对红外光(波长为2 700～3 200 nm)的吸收范围衰减了0.1%。

(a)吸光度曲线

由图16(b)可见,芒硝相变复合材料主要对可见光(波长为400～780 nm)和红外光(波长为780～1 500 nm)有较大的透光率。相比于纯复合盐,添加纳米碳化硅颗粒的质量分数为0.1%时,对可见光(波长为400～780 nm)的透光率下降了29%,对红外光(波长为1 500～2 700 nm)的透光率上升了8%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的透光率下降了18%;添加纳米碳化硅颗粒的质量分数为0.5%时,对可见光(波长为400～780 nm)的透光率下降了26%,对红外光(波长为1500～2 700 nm)的透光率上升了10%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的透光率下降了15%; 添加纳米碳化硅颗粒的质量分数为1.0%时,对可见光(波长为400～780 nm)的透光率下降了20%,对红外光(波长为1 500～2 700 nm)的透光率上升了29%,对红外光(波长为780～1 500 nm)的透光率上升了16%。

综上,添加碳化硅后,芒硝相变复合材料对紫外光(波长为200～400 nm)的吸收程度提升了,但提升程度与添加量基本无关;而对红外光(波长为1 500～3 200 nm)的吸收范围基本不变。对可见光(波长为400～780 nm)和红外光(波长为1 500～2 700 nm)的平均透过率下降了,并且随着添加量的增加,可见光(波长为400～780 nm)的平均透过率呈上升趋势;对红外光(波长为1 500～2 700 nm)的平均透过率随添加量的增加呈上升趋势。由于纳米碳化硅是经过表面改性,TMAH的添加使得纳米碳化硅表面存在电荷排斥,这可能是导致随着添加量变化,对不同波段吸光度和透过率产生变化的主要原因。

3 结论

1)改性后纳米碳粉和纳米碳化硅颗粒的形貌结构基本没有变化,且在水相体系和芒硝基复合盐中的颗粒数为95%的粒径分布在0.2～4 nm,说明改性后的纳米碳粉和纳米碳化硅颗粒具有良好的分散性。

2)通过静置观察与未改性的纳米颗粒对比,改性后纳米碳粉和纳米碳化硅颗粒在芒硝相变材料固、液体系中均未出现明显团聚现象,结晶态芒硝复合相变材料未出现严重分层现象。

3)添加纳米碳颗粒芒硝相变复合材料对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸光度有所提高,对可见光(波长为400～780 nm)、红外光(波长为800～1 500 nm)波段的透光率均有下降,表明纳米碳颗粒的添加有助于提高芒硝相变材料的吸光效率。

4)添加纳米碳化硅颗粒芒硝相变复合材料对紫外光(波长为200～400 nm)的平均吸光度提高了22%～26.6%,对可见光(波长为400～780 nm)的平均透过率下降,红外光(波长为1 500～2 700 nm)的透光率上升。

利益冲突声明(Conflict of Interests)

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献(Author’s Contributions)

铁生年、黄伟豪、孙增宝参与了实验设计,铁生年、黄伟豪、孙增宝、陈凤兰参与了论文的写作和修改。所有作者均阅读并同意了最终稿件的提交。

The study was designed by TIE Shengnian,HUANG Weihao and SUN Zengbao.The manuscript was drafted and revised by TIE Shengnian,HUANG Weihao,SUN Zengbao and CHEN Fenglan.Both authors have read the last version of paper and consented for submission.