以石墨烯懸浮液提升石蠟相變化儲能材料之導熱性

CHEN-YU TSAI; YU-HUA WU; SHIH-CHIEH LEE; PIN-CHUAN YAO

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doi:DOI 号

来源数据

P11 - 22

医药卫生 > 医药总论
医药卫生 > 基础医学
工程学 > 工程学综合
社会科学 > 社会科学综合
社会科学 > 心理学

DOI： 10.7117/JSET

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以石墨烯悬浮液提升石蜡相变化储能材料之导热性

Enhancing Thermal Conductivity of Paraffin as a Phase Change Material Through Graphene Dispersion

蔡镇宇(CHEN-YU TSAI) ；吴煜华(YU-HUA WU) ；李世杰(SHIH-CHIEH LEE) ；姚品全(PIN-CHUAN YAO)

科学与工程技术期刊； 19 卷 2 期 (2023 / 09 / 01) ， P11 - 22

繁体中文;英文

石墨烯；相变化材料；石蜡；悬浮液；高导热性； grapheme ； phase change materials ； paraffin ； dispersion ； thermally conductive fillers

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摘要 │ 参考文献 (57) │ 国际计量

摘要〈TOP〉

因应全球暖化是本世纪人类最重要的课题之一，造成这种环境危机的主因之一是文明社会过度消耗化石燃料能源，导致温室气体的过量排放所致。因此，吾人必须严格调控能源供应，有效利用热能并力行节能减碳以对抗暖化危机。从热能管理的角度来看，储热技术一直是热能应用研发的焦点，包含家用冷暖空调、太阳能集热器、储热系统和工业余热回收利用等领域。在各种热能储存技术中，潜热的储能技术深受重视，藉由提高单位质量的储能能力，可以实现更多的热能应用场域。相变化材料（Phase change materials, PCMs）是潜热储能系统中不可或缺的存储介质。石蜡（Paraffin）具有高熔化热、低蒸气压（熔融态时）、化学安定性佳等诸多优良特性，近年受到广泛的关注，许多研究学者视其为最具发展潜能的理想储热材料之一。然而，石蜡的导热率（～0.2 Wm^(-1)K^(-1)）很低，不利於後续的商品化发展。为了缓解这一缺点，在本研究中，吾人於石蜡相中加入具良好导热性质的石墨烯粉体，以增加石蜡相变化材料的储热效率。初步研究显示，若直接投入石墨烯粉末，则易形成分散不佳的状态。若改以石墨烯悬浮液为原料，再与熔融态石蜡掺混，则可顺利形成分散均匀的石蜡－石墨烯复合材料。若在上述体系中，加入少量的表面活性剂，则可以进一步提升石墨烯於石蜡相中的分散性。此点可由以下实验中加以证明：使用10、20和30wt.-%等3种不同浓度的石墨烯悬浮液，於相同的石墨烯负载量下，所形成的石墨烯／石蜡PCMs复合材料，其导热性增强且数值相似。如同热重分析（Thermogravimetric analysis, TGA）所证实的，此三个样品都表现出良好的分散性。其实际样品重量与理论值的偏差仅为0.05%。石墨烯／石蜡PCMs复合材料的热导率以热盘法（hot-disk method）测定。结果显示：石蜡／石墨烯复合材料於3 wt.-%石墨烯负载量时，具有最大的导热系数，0.2792 W m^(-1)K^(-1)；与纯石蜡相比，导热率提高了2.8%。以示差扫描量热分析仪（Differential scanning calorimetry, DSC）量测样品的熔化潜热，结果显示：石蜡／石墨烯复合材料较纯石蜡的熔化潜热降低了5～8%，对实际应用而言，此一增量是合理的。若改以其他导热性替代品，如多壁奈米碳管（multi-walled carbon nanotubes, MWNT）与氮化硼（boron nitride, BN），在相同条件下进行评估。则这些样品的熔化潜热大幅下降超过8%，对实际应用而言，改质效果较不理想。

并列摘要〈TOP〉

Global warming is a serious concern in the 21st century and is primarily caused by excessive energy consumption. In particular, thermal energy is a key means of ensuring that our energy consumption is sustainable. Energy storage, particularly thermal energy storage, has emerged as a key area of research. It has found applications in various fields, including household heating/cooling systems, solar energy collectors, power storage (Li-ion battery systems) , and industrial waste heat recovery. Among the available thermal energy storage techniques, latent thermal energy storage based on phase change materials (PCMs) is a practical technique that offers a high storage capacity per unit mass. Paraffin, a type of PCM, has gained significant attention due to its desirable characteristics, such as high heat of fusion, low vapor pressure in the melt, chemical inertness, and chemical stability. However, a major drawback of paraffin is its low thermal conductivity (approximately 0.2 Wm^(-1)K^(-1)) , which limits its applications in thermal energy storage systems. To overcome this limitation, the present study explored the use of commercial graphene incorporated into pure paraffin to enhance its thermal conductivity. Preliminary studies have revealed that the direct addition of graphene powder to a paraffin matrix does not result in an even distribution of graphene within the composite material. Therefore, in this study, homogeneous paraffin-graphene composites were formed by mixing a graphene suspension with the paraffin matrix. Moreover, the addition of a trace amount of surfactant to the system substantially enhanced the dispersion of graphene. By incorporating the surfactant and ensuring uniform graphene dispersion, graphene/paraffin PCM composites were derived at graphene loadings of 10, 20, and 30 wt%. These composites demonstrated similar enhancements in thermal conductivity compared with pure paraffin. To assess the uniformity of the dispersion within the composite samples, thermos gravimetric analysis (TGA) was performed. The results of TGA revealed that the graphene was extraordinarily uniformly dispersed within the composite samples. The deviation in weight for the composite samples was only 0.05% compared with the theoretical values. The thermal conductivity of the composite samples was determined using the hot-disk method. The results revealed that the paraffin/graphene composite achieved a maximum thermal conductivity of 0.2792 W m^(-1)K^(-1) at a graphene loading of 3 wt.%, a 2.8% improvement compared with that of pristine paraffin. The latent heat of fusion for the composite samples was determined using differential scanning calorimetry, and the latent heat of fusion for the composite samples was observed to decline by 5%-8% compared with that of pristine paraffin. This decrease is considered acceptable for practical applications. Other substitutes, such as multiwalled carbon nanotubes and boron nitrides, were also evaluated under the same conditions. However, the latent heat of fusion for these samples substantially declined by over 8% which is undesirable for practical applications.

参考文献 ( 57 ) 〈TOP〉

Tsai, C.Y.,Zhang, Z. J.,Huang, S. Y.,Lee, S. C.,Yao, P. C.(2018).Electrophoretic deposition of graphene-based thin films as counter electrodes for dye-sensitized solar cells.Journal of Science and Engineering Technology,14(2),35-45.
连结：
Altomare, A.,Corriero, N.,Cuocci, C.,Falcicchio, A.,Moliterni, A.,Rizzi, R.(2015).QUALX2. 0: a qualitative phase analysis software using the freely available database POW_COD.Journal of Applied Crystallography,48(2),598-603.
Babaei, H.,Keblinski, P.,Khodadadi, J. M.(2013).Thermal conductivity enhancement of paraffins by increasing the alignment of molecules through adding CNT/graphene.International Journal of Heat and Mass Transfer,58(1–2),209-216.
Balandin, A. A.(2011).Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials.Nature Materials,10(8),569-581.
Berger, C.,Song, Z.,Li, X.,Wu, X.,Brown, N.,Naud, C.,Mayou, D.,Li, T.,Hass, J.,Marchenkov, A. N.,Conrad, E. H.,First, P. N.,de Heer, W. A.(2006).Electronic confinement and coherence in patterned epitaxial graphene.Science,312(5777),1191-1196.

国际计量

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