北林郭洪武团队Chem. Eng. J. | 新型可生物降解光热转换储能木塑复合材料

背景介绍

相变材料（PCMs）在相变过程中可以吸收或释放热量，从而弥补能源供需之间的地理和时间差异，是目前最有效的节能方法之一，具有热容量高、热稳定性好、成本低等优点。近年来，木塑复合材料（WPCs）作为最受关注的天然纤维增强生物复合材料，在建筑材料领域的应用越来越广泛。PCMs能显着提高WPCs的储热能力，在白天吸收热量并在晚上释放热量，从而可以缩小建筑物内的温度波动，从而减少供暖和空调的能源消耗。然而，WPCs自身的导热率较低，直接添加相变材料会直接影响材料的储能效率，也会影响其力学性能。

鉴于此，北京林业大学郭洪武教授团队通过层层自组装开发了以正十八烷为核，SiO₂/蜂窝结构BN为壳体的相变微胶囊，并在此基础上通过微结构设计在木塑复合材料中构建导热储热链路，制备出具有高储能密度和优异光热转换能力的新型储能木塑复合材料。作者指出，这种材料不仅具有良好的热稳定性和较高的潜热容量，而且在建筑节能、蓄热、热调节和太阳能收集方面具有良好的应用前景。

图文解读

新型光热转化储能木塑复合材料的制备

储能木塑复合材料的制备方法如图1所示。采用微乳液法制备以正十八烷为芯，以SiO₂为壳的微胶囊相变材料（S-MicroPCM），并将氮化硼（BN）定向组装在相变微胶囊表面，制得高导热相变微胶囊（BN-MicroPCM）。然后，将制备好的PCM与木粉和可降解塑料共混模压制备了储能木塑复合材料。与传统相变微胶囊制备方法不同，此方法通过层层自组装在相变微胶囊表面构建独特的蜂窝状结构，利用其独特的结构在木塑复合材料中增强界面结合并构建导热链路，最大限度地提高材料的储能效率。

图1 新型PCM及相变储能木塑复合材料的制备

新型光热转化储能木塑复合材料的结构分析

复合材料的微观结构直接决定了其力学性能和界面性能，其断口形貌如图2所示。WPC的断口表面粗糙不规则，加入S-MicroPCMs后，S-WPC的断口出现明显球形团聚形貌，表明其具有自聚集的趋势，这种大面积的相分离会严重影响材料的力学性能。与WPC和S-WPC中清晰的孔洞相比，BN-WPC的结构更致密，没有裂纹，且BN-MicroPCMs的蜂窝形状使木材纤维嵌入塑料基体中，提高了整体的相容性。氢键作用也改善了材料的界面附着力，在BN-WPC的断口表面，纤维周围的基体发生了较大的变形，但仍紧紧包裹着填料，界面附着力良好。

图2 木塑复合材料的SEM图：(a) WPC，(b) S-WPC 10，(c) S-WPC 50，(d) BN-WPC 10，(e-f)，(i) FITR光谱，(j) 界面机理图

储能木塑复合材料的力学性能如图3所示，S-MicroPCMs的加入使得材料的力学性能出现较明显的下降，而BN-MicroPCMs独特的蜂窝结构改善了其在塑料基体中的分散性，并且其增大的表面积加强了与塑料和木粉之间的界面粘附和结合，形成交联网络结构，使复合材料能够承受更多的拉伸载荷。其拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和弯曲模数分别比S-WPC提高了51.16%、97.01%、81.28%和742.74%。

图3 木塑复合材料的力学性能：(a-c) 拉伸性能，(d-e) 弯曲性能

新型光热转化储能木塑复合材料的储能效果分析

储能木塑复合材料的储能效果如图4所示，S-MicroPCMs易出现团聚现象从而影响材料的传热和储热，而加入具有独特的蜂窝结构的BN-MicroPCMs后，材料的储能效率提高了近200 %。并且，新型相变材料的加入建立了多条导热路径，使其导热系数逐渐增加，当BN-MicroPCMs在WPC基体中的含量达到50%时，其导热系数较WPC和S-WPC 50分别提高了75.06%和30.48%。

图4 储能木塑复合材料在加热(a-c)和冷却(b-d)过程中的储热能力

图5进一步评估了复合材料在模拟太阳光照射下的光热性能。蜂窝状结构新型储能相变材料具有BN 和 BN-PCM 的多重散射效应，因此大大改善了BN-MicroPCMs在光热转换过程中的储热能力。因此，BN-WPCs具有巨大的储热潜力，用于收集可见光并将其转化为热能并储存热能。BN-WPCs的光热转化效率 随着BN-PCM的增加而增加，BN-WPC 50的光热转换效率达到了69.54%，因此，它可以直接用作太阳能集热器，用于太阳能的收集和储存。

图5 (a) BN-WPC太阳能利用示意图，样品的温度曲线：(b)模拟太阳光下，（c）无太阳光

总结与展望

此项工作中，通过BN在微胶囊相变材料表面构建独特的蜂窝结构，在WPC基体中形成了连续的热响应链路，大大提高了复合材料的储热效率，BN-WPC的导热系数、比热容和储能效率分别提高了75.06 %、87.06 %和200 %。此外，BN-WPC的力学性能也得到了明显提升，其抗拉强度、断裂伸长率、弯曲强度和弯曲模量分别提高了51.16%、97.01%、81.28%和742.74%。BN为复合材料带来了优异的光热转换功能，其光热转换效率达到69.54%。因此，BN-WPCs不仅具有良好的热稳定性和较高的潜热容，而且在建筑节能、蓄热、热调节和太阳能收集等方面具有良好的应用前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137218 

 往期推荐 

本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编（微信号：biomass12345）

为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。

进群方式：添加小编为好友（微信号：biomass12345），邀请入群。

请备注：姓名+单位+研究方向。

另外，本公众号还友情为国内外有需求的实验室免费发布招聘信息，也可为学术机构发布相关学术会议信息。