第 1 章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 能源与环境问题
伴随新环境下经济体系的不断成长，人民对于生活质量的要求不断提高，建筑能耗的需求量不断增加，随着国际能源短缺与污染问题日益严峻，怎样更为理想地开发新能源，逐渐演变为人类面临的重要课题。根据《BP 世界能源统计年鉴》（2019）统计，2019年全球一次能源消费增长 2.9%，是 2010 年以来的最快增速。而我国有着较为突出的世界能源消耗量，一次开采的实际规模大概是 10 2230.46t 油当量，在全球体系内的占比大约为23.6% ，消费量呈现上升趋势，在世界煤炭消费总量中排在第一位，为 1906.7?106t油当量。虽然我国能源资源总量十分可观，但在我国一次能源消费结构中，仍以煤炭消耗为主，占据全国一次能源消费总量的 58%，石油的实际比例为19% ，太阳能与其它类别的可再生能源部分仅有4.3%[1]。基于整体的消费结构能够发现，中国的能源产出和耗费重点以煤炭资源为主，对风能、核能以及太阳能等类别的新能源运用率相对偏低。但是，煤炭及石油等不可再生能源日益减少面临枯竭，其燃烧导致的环境污染问题也不容忽视。对于这样的严峻危机，探寻可以取代化石能源的新型能源，逐渐演变为全球普遍关注的重要问题。因此，正确认识能源消费现状和能源消费结构，寻找可以替代化石燃料的新能源，才是促进能源、经济和环境共同发展的根本之路[2]。
随着人们认识到不可再生资源的局限性，开发可再生能源迫在眉睫。而太阳能作为绿色和永久的的可再生能源之一，具有可开发的美好前景。我国地处北半球，跨越经纬度极广，南边界与北边界相距 5500km，东边界与西边界相距 5200km，太阳辐射面积广阔。按照国家气象局对能源进行评估之后所规定的标准来讲，中国太阳能资源区域可以划分为以下 4 种。其一为资源最多的一类区域：平均年辐射含量在 8370MJ/m~67002之间，我们可以将其视为是230kg 煤通过燃烧所散发的热量，这部分地区涵盖我国青藏以及甘肃北部等地。其二是资源较多的二类区域：平均年辐射含量在5400～6700MJ/m2之间，我们可以将其视为是180～230kg 煤通过燃烧所散发的热量，这部分地区涵盖山东以及吉林等地。其三是资源含量一般的三类区域：平均年辐射含量在 4200～ 5400MJ/m2之间，我们可以将其视为是140～180kg 煤通过燃烧所散发的热量，这部分地区涵盖福建以及浙江等地。四类区域：平均年辐射含量没有超过 4200MJ/m2，这部分地区涵盖四川等地。总体来看，我国国土总面积的 2/3 以上地区每年均可接收 2000 小时以上的日光照射，土地平均接收太阳辐射量为 5852MJ/(m2?a)，且大多地区在 3300 MJ/(m2?a)到8400MJ/(m2?a)之间，相当于 2.4?1012t 标准煤的储量。
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1.2 相变微胶囊及相变流体国内外研究现状
1.2.1 微胶囊材料
1.2.1.1 国内研究现状
彭应旭[13]等人以 Poloxamer 407 为表面修饰剂 ,采用乳化聚合法制备了柔红霉素聚氰基丙烯酸正丁酯毫微粒，并对其形态、粒径及分布等进行了研究。结果表明微粒的平均粒径为 70nm,分布范围 30～220nm,包封率达到 97.0%。
万健[14]等研究人员通过原位聚合法来制作环氧树脂微胶囊，并将其利用掺加入混凝土中，以实现混凝土的自修复。实验表明微胶囊的适宜掺量为 3.0%；自修复混凝土在受载损伤后 48h 的抗折强度恢复率为 75.6%；冻融循环实验后动弹性模量平均恢复率可达64.3%。
倪卓[15]等人采用原位聚合法合成了一种用于自修复材料的微胶囊，研究了 5 种表面活性剂对 MUF 环氧树脂微胶囊的影响。实验结果表明，SDBS 有助于 MUF 环氧树脂微胶囊的形成，且在 SDBS 质量分数为 0.5%后界面张力趋于稳定；在该条件下形成的 MUF环氧树脂微胶囊形态良好，分散均匀，无粘连现象。
赵鹏[16]等人通过原位聚合法，合成以脲醛树脂为囊壁，并将桐油来充当囊芯，在此基础上使最后形成的胶囊具有自我修复功能，同时还研究了乳化剂种类和用量对微胶囊的影响。结果表明，OP-10 对微胶囊的合成具有很大的价值，当 10-OP 为10% 的时候，所呈现出来的效果最好，微胶囊表面光滑且粒径分布均匀,平均粒径较小。
张姚[17]等人采用界面聚合法制备出薄荷素油微胶囊，并分析了均质化速率和微胶囊平均粒径的关系以及不同乳化剂种类和芯壁比条件下微胶囊的形貌特征.结果表明，微胶囊平均粒径随均质化速率的增大而减小，下降到 1μm 左右时趋于平稳，当乳化剂采用聚乙烯醇且芯壁比为 4:1 时，微胶囊形貌最佳。
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第 2 章 新型相变微胶囊及其流体的制备
2.1 相变微胶囊的制备
为制备出适用于 PV/T 太阳能集热系统载热流体的相变微胶囊，本课题组以二十二烷作为内核，二氧化钛作为外壳，甲酰胺作为反应基液，制备出多组新型相变微胶囊。
2.1.1 制备材料
本实验中所用原料如下表所示：
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2.2 相变微胶囊流体的制备
2.2.1 制备仪器及原理
制备添加纳米颗粒的相变流体时，所用器材源自于宁波新芝生物科技股份有限公司，为 IID-SCIENTZ 型设备，如图 2-5 所示。新芝系列超声波细胞粉碎机是一种利用超声波在液体中产生空化效应的多功能、多用途超声仪器，其原理为通过特定的超声波，进一步在液体中产生空化效应，从而实现针对物质的超声处理效果，令液体内的固体颗粒等实现均匀分散的作用；运用范围较广，可被应用于纳米材料如碳纳米管，氧化石墨烯等材料的分散，以及均质土壤、岩石样本、有色金属、稀土等颗料物的崩解、乳化、均质、破碎等方面，同时可用来乳化、分离、提取、匀化、脱气、清洗、纳米材料的制备及加速化学反应等。在生物化学、微生物学、药物化学、表面化学、物理学、动物学、农学、医学及制药等领域被广泛应用。
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3.1 相变微胶囊的微观形态测试 .................................. 22
3.1.1 SEM 扫描电镜实验原理 ................................. 22
3.1.2 SEM 扫描电镜操作步骤 ................................ 24
第 4 章 不同变量对相变微胶囊热物性的影响 .................... 27
4.1 相变微胶囊 DSC 测试 ......................... 27
4.1.1 测试原理 ................................... 27
4.1.2 操作步骤 .................28
第 5 章 不同变量对相变微胶囊流体的影响 ................................... 45
5.1 相变微胶囊流体的稳定性测试与结果分析 ............................. 45
5.1.1 测试原理 ............................. 45
5.1.2 测试结果与分析 .................................... 46
第 5 章 不同变量对相变微胶囊流体的影响
5.1 相变微胶囊流体的稳定性测试与结果分析
5.1.1 测试原理
目前，对于相变微胶囊纳米流体的稳定性的评价方法主要分为四种，包括重力沉降法、Zeta 电位分析法、粒度分布测量法、分光光度法[62]。
1）重力沉降法
重力沉降法是通过静止的方式对观测样品进行处理，后通过观察流体外观是否产生分层来辨别样品的稳定性。若静置后的相变微胶囊流体发生团聚现象时，
悬浮液可产生明显的分层现象，上层为悬浮清液，下层出现团聚沉淀，此时论证了所制备的相变微胶囊流体的静态稳定性较差。而静止后，悬浮液未出现明显的分层现象，底部的团聚沉淀物较少，整体悬浮液呈现均一稳定的形态，代表着此类相变流体具有较为理想的分散性及稳定性。
2）Zeta 电位分析法
Zeta 电位分析法是通过测定表层 Zeta 电位的绝对参数，以此来分析判断流体的分散稳定性。若是 Zeta 电位的绝对参数相对更小，就代表着其中的静电斥力相较于范德华引力偏小，最终的颗粒间有着特殊的吸引效应，那么对应流体具有较差的分散稳定性；若是 Zeta 的绝对参数相对更大，就论证了其中的静电斥力超过了引力，从而产生了特殊的排斥效应，即实际的稳定性更为理想。
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主要工作及结论
本文为制备出适用于 PV/T 太阳能集热系统载热流体的相变微胶囊纳米流体，选择出合适的相变材料及壁材，利用原位聚合法制备出以二十二烷为核心，二氧化钛为壁材的相变微胶囊，根据改变单一实验条件变量，配制并分析了多种单一实验变量条件下所制备的相变微胶囊，配制变量包括：乳化剂种类及其质量分数、超声震荡时间、PH 值、二十二烷与二氧化钛的核壳比。在此基础上，对所制备的相变微胶囊微观形态进行观察，并对不同实验变量条件下所制备的多组相变微胶囊的热物性进行了测试。随后，通过向基液中添加多种分散剂，制备出多组添加相变微胶囊的纳米流体，并对多组添加相变微胶囊的相变流体进行稳定性及热物性的测试，为后续 PV/T 太阳能集热系统载热流体的实际应用奠定基础。研究所得结论如下：
1.本文通过改变实验单一变量条件，利用原位聚合法制备出多组以二十二烷为核心，二氧化钛为壁材的相变微胶囊。随后，利用超声振荡法，选用不同种类分散剂，将最佳特性的相变微胶囊以水为基液，制备成相变微胶囊纳米流体。为后续的 PV/T 太阳能集热系统载热流体的实际应用奠定基础。
2.利用扫描电子显微镜（SEM）并辅以适当的样品处理技术，对微胶囊的微观结构进行了观察，随后利用能谱分析仪对其表面进行了化学元素分析。本文所制备的相变微胶囊呈圆球状，结构完整，球形表面均匀光滑，未见破损或较大团聚颗粒存在，且颗粒见分散性较好，微胶囊的粒径在 2~5μm 之间。通过 X 射线能谱分析图可知，本文所制备相变微胶囊包覆性较好，不存在其他杂质。可得结论，本文所使用的相变微胶囊的制备方法可行。
3.实验制备了以 SDS、OP-10、海藻酸钠为乳化剂的三组相变微胶囊，通过扫描电镜可知以 SDS 为乳化剂时，所制备的相变微胶囊粒径较大，破损较少，使用 OP-10 及海藻酸钠作为乳化剂时，所制备的相变微胶囊均呈现不同程度破损。并且根据 DSC 测试结果分析可知，三种分散剂所制备的相变微胶囊中，以SDS 作为分散剂的相变微胶囊相变潜热值最高，达到 91.1J/g，本实验所制备样品用于太阳能集热器中，需具备良好的蓄热能力。综上所述，SDS 作为相变微胶囊制备的乳化剂的效果最佳。
参考文献（略）