碳纳米管/月桂酸复合材料的制备及其热物性分析

杨会娟

[摘           要]  蓄热相变材料月桂酸用在空调温湿度独立控制系统时，存在导热系数偏低的问题，为提高其导热系数，运用在单一月桂酸中加入碳纳米管的方法，用先超声振动再乳化搅拌的方式使碳纳米管在月桂酸中分散均匀。由于碳纳米管本身具有的高导热系数，使处理后的材料较单一月桂酸导热系数明显提高，其中碳纳米管质量分数为0.8%时，复合材料较单一月桂酸导热率提高了34%。

[关    键   词]  碳纳米管;月桂酸;蓄热相变材料;导热系数

[中图分类号]  TB64                     [文献标志码]  A                   [文章編号]  2096-0603（2018）35-0168-02

纳米材料是现今社会的一种重要材料，碳纳米管是纳米材料的一种，有很强的代表性，其在各科学领域都有突出表现。近年来，它的高导热性能使它在热力研究方面占有一席之地，各路研究学者纷纷将碳纳米管加入常用的导热材料中，制成高导热率的新型材料[1，2]。本文将碳纳米管加入月桂酸中，对形成的复合材料的导热率及其他物性参数进行研究，探索碳纳米管是否适合与月桂酸复合，形成比单一月桂酸更适合用于制冷领域温湿度独立控制系统的新型蓄热相变材料。

一、材料的制备

月桂酸又称十二烷酸，它是一种饱和脂肪酸，详细的物性参数如表1。

碳纳米管是碳的同素异形体，多种研究表明，在有机相变材料中加入碳的这种同素异形体能大幅提高材料的换热效率，而对相变潜热影响较小。

本实验中，将碳纳米管加入到月桂酸中，最重要的是使碳纳米管分布均匀，因为碳纳米管存在较大的van der Waals force，使其容易成团成束存在。

在使用前，先对碳纳米管进行干球球磨过筛处理，球磨机磨球体积为碳纳米管体积的4倍，球磨机转速调成100r/min，经4h后用电子扫描镜检查发现，碳纳米管的缠绕团聚现象基本没有，后经过筛及烘干处理后放置备用。

用经以上处理所得的碳纳米管配置出质量分数分别为0.2%、0.5%、0.8%的溶液备用。过程为取三个烧杯分别加入适量的热水，然后将一定量的月桂酸分别放入热水中，全部融化后搅拌，使其与热水混合均匀，后在溶液中加入称量好的碳纳米管，置于型号为KQ-200KDB超声仪中处理15min，再用型号为FA25的高剪切散散乳化机进行搅拌分散，搅拌过程中为防止试样凝固，可将其放入热水中浸泡，搅拌时间为20min。

将三个烧杯连同试样置于60℃烘箱中静置2h，试样熔化后静置不分层，说明复合材料被成功制取。

二、结果与分析

（一）相变特性

物质相变时的熔点、凝固点及相变潜热可用差示扫描量热仪来测量，实验用量热仪型号为Q2000，其中熔点、凝固点可通过DSC曲线直接读出，相变潜热H的计算公式为：H=KA，K为量热法常数，为测试设备的参数，A为量热曲线吸热或放热时产生的峰形围成的面积。

用差示扫描量热仪DSC测试单一月桂酸及制得的复合材料的相变特性，升降温范围为20～60℃，升降温速率为5℃/min，结果如下：■

将图形上得出的结论整理如表3：

对比表上内容可以看出，碳纳米管的质量分数小，则相变温度高，但高出的数值微小，究其原因：（1）由于碳纳米管的小尺寸效应[3，4];（2）碳纳米管所占比例小。碳纳米管质量分数少也使得相变焓值增大，一方面是因为月桂酸质量增多，另一方面碳纳米管吸收了月桂酸的相变潜热。

（二）导热特性

复合材料在实验过程中，随着温度的变化会相应地发生相变，内部各点温度也随着时间的变化而变化，所以三种试样的导热率用非稳态法Hot Disk热物性测量仪测量[5]，测量仪型号为2500S，测量结果如下图所示：

将图形结果整理如表4：

对比表上及图上内容可以得出：

（1）液态材料比固态材料导热率高。因为液态材料内部无规则运动远大于固态，加速了材料的换热。

（2）当加入碳纳米管时，液态材料的导热率增加量大于固态材料增加量。这是由于碳纳米管在固态中分布不如在液态中均匀。

三、结论

在单一月桂酸中加个碳纳米管，对月桂酸的相变焓值影响较小，但能明显提高其导热率，但随着碳纳米管的增多，导热速率增量趋于平缓，实验表明，碳纳米管的质量分数在0.5%～0.8%之间有比较理想的效果。复合材料的性质稳定，适合做蓄热材料。

参考文献：

[1]李钰，陈杨华，郭文帅.石蜡基碳纳米管复合相变蓄冷材料[J].制冷学报，2014，35（5）：110-113.

[2]陈金明.碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料的制备及力、热性能影响机理[D].哈尔滨工业大学，2014.

[3]石士考.纳米材料的特性及其应用[J].大学化学，2001，16（2）：39-42.