1　材料与方法

2　结果与分析

1. 2. 1纳米颗粒分散性
2. 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形貌图 ,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)形貌 (b)粒径分布

图 1　改性纳米碳的水基微粒

Fig. 1　 Water-based particles of modified nano-C　　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。

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 米碳的形貌图 ,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)形貌 (b)粒径分布

图2　改性纳米 SiC的水基微粒 Fig. 2　 Water-based particles of modified nano-SiC

(a)形貌 (b)粒径分布

图3　改性纳米碳的芒硝基复合盐微粒

Fig. 3　 Glauber’s composite salt particles of modified nano-C　　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形貌图 ,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)形貌 (b)粒径分布

图 4　改性纳米 SiC的芒硝基复合盐微粒 Fig. 4　 Glauber’s composite salt particles of modified nano-SiC

　　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。

1. 2. 2纳米颗粒相变材料稳定性
2. 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 7d的,图 5(b)是在室温下放置 7d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 (b)结晶态 图5　添加未改性纳米碳粉的芒硝复合相变材料的不同状态 Fig. 5　 Different states of Glauber’s salt composite phase change materials with addition of unmodified nano-C powders

　　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 7d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% (b)0. 5% (c)1. 0%

图6　添加不同质量分数的改性纳米碳粉的芒硝复合盐的熔融态 Fig. 6　 Molten state of Glauber’s composite salt with addition of different mass fractions of modified nano-C powders　　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 7d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% (b)0. 5% (c)1. 0%

图7　添加不同质量分数的改性纳米碳粉的芒硝复合盐的结晶态 Fig. 7　 Crystalline state of Glauber’s composite salt with addition of different mass fractions of modified nano-C powders

　　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 Fig. 8　 FTIR spectra of modified nano-C powders

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 7d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。

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。

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 7d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)熔融态 (b)结晶态 图9　添加未改性纳米碳化硅的芒硝复合相变材料的状态 Fig. 9　 States of Glauber’s salt composite phase change material with addition of unmodified nano-silicon carbide particles

(a)0. 1% (b)0. 5% (c)1. 0%

图 10　添加不同质量分数的改性纳米碳化硅的芒硝复合盐的熔融态 Fig.10　 Molten state of Glauber’s composite salt with addition of modified nano-silicon carbide of different mass fractions

(a)0. 1% (b)0. 5% (c)1. 0%

图11　添加改性纳米碳化硅的芒硝复合盐的结晶态

Fig.11　 Crystalline state of Glauber’s composite salt with addition of modified nano-silicon carbide　　图 12所示为改性前后纳米碳化硅的红外谱图。由图可以看出 ,用 PVP改性前、后的碳化硅中在波数为 1 635 cm^-1处均出现 C O,在 1 340 cm^-1处的峰属于 C—N键,进一步能说明 PVP已经吸附于 SiC粉末的表面 ,同时在 3 400 cm^-1处的 —OH键的特征峰更为明显 ,说明其亲水性增强。

　　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。

1. 2. 3纳米颗粒水相体系和相变材料体系吸光、透光性
2. 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。

图 12　改性前后纳米碳化硅的 FTIR谱图 Fig.12　 FTIR spectra of modified nano-silicon carbide

(a)吸光度曲线 (b)透光率曲线

图 13　纳米碳颗粒水相体系吸光度和透光率

Fig.13　 Absorbance and transmittance of nano-C particles in aqueous phase system 　　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 (b)透光率曲线图 14　纳米碳化硅颗粒水相体系吸光和透光性

Fig.14　 Absorbance and transmittance of nano-silicon carbide particles in aqueous phase system　　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 (b)透光率曲线

图 15　纳米碳颗粒芒硝相变复合材料的吸光、透光性 Fig.15　 Absorbance and transmittance of nano-C particles Glauber’s salt composite phase change material

　　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 (b)透光率曲线

图 16　纳米碳化硅颗粒芒硝相变复合材料的吸光度和透光率 Fig.16　 Absorbance and transmittance of nano-silicon carbide particles Glauber’s salt composite phase change material 　　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 draftedand revised by TIE Shengnian, HUANG Weihao, SUN Zengbao and CHEN Fenglan. Both authors have read the last version of paper and consented for submission.

参考文献 (References):

[1]LEE S, LI S, EASTMAN J A, et al. Measuring thermal conductivity of fluids containing oxide nanoparticles[J]. Journal of Heat Transfer, 1999, 121(2): 280-289.

[2]DONGHYUN S, DEBJYOTI B. Enhanced specific heat of silica nanofluid[J]. Journal of Heat Transfer, 2011, 133(2): 216-220.

[3]KHODADADI J M, HOSSEINIZADEH S F. Nanoparticle-enhanced phase change materials with great potential for improved thermal energy storage[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2007, 34(5): 534-543.

[4]WANG J F, XIE H Q, XIN Z. Thermal properties of paraffin based composites containing multi-walled carbon nanotubes [J]. Thermochimica Acta, 2009, 488(12): 39-42.

[5]MO S P, CHEN Y, JIA L S, et al. Reduction of supercooling of water by TiO2 nanoparticles as observed using differential scanning calorimeter[J]. Journal of Experimental Nanoscience, 2013, 8(4): 533-539.

[6]ELGAFY A, LAFDI K. Effect of carbon nanofiber additives on thermal behavior of phase change materials[J]. Carbon, 2005, 43(15): 3067-3074.

[7]刘玉东 .纳米复合低温相变蓄冷材料的制备及热物性研究 [D].重庆 :重庆大学 , 2005. LIU Y D. Study on preparation and thermal properties of phase change nanocomposites for cool storage[D]. Chongqing: Chongqing University, 2005.

[8]杨硕 ,朱冬生 ,吴淑英 ,等. Al2O3-H2O纳米流体相变蓄冷特性研究 [J].制冷学报 , 2010, 31(1): 23-26. YANG S, ZHU D S, WU S Y, et al. Study on phase-change cold storage characteristics of Al2O3-H2O nanofluids[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(1): 23-26.

[9]张鸿声 ,汪南 ,朱冬生 ,等.纳米铜粉 /石蜡复合相变储能材料的性能研究 [J].材料导报 , 2011(增刊 1): 173-176. ZHANG H S, WANG N, ZHU D S, et al. Study on performance of nano-copper / paraffin wax composite phase change material[J]. Materials Reports, 2011(S1): 173-176.

[10]柳馨 ,铁健 ,铁生年 .纳米粉体对 Na2SO4 10H2O过冷及相分层现象的影响 [ J].

_3072-3078. · 人工晶体学报 , 2015, 44(11):

LIU X, TIE J, TIE S N. Effect of nano powder addition on the subcooling and phase stratification of sodium sulfate decahydrate[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2015, 44(11): 3072-3078.

[11]柳馨 ,铁健 ,铁生年 .温室多壁碳纳米管芒硝基相变材料储能性能 [J].农业工程学报 , 2016, 32(6): 226-231. LIU X, TIE J, TIE S N. Energy storage properties of mans nitro phase transition materials of multi-walled carbon nanotubes of greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(6): 226-231.

[12]张雨 ,铁生年 .改性多壁碳纳米管芒硝基纳米流体相变材料制备及其流变特性 [J].青海大学学报 , 2021, 39(2): 62-68. ZHANG Y, TIE S N. Preparation and rheological properties of modified multi-walled carbon nanotubes mirabilite nanofluidphase-change materials[J]. Journal of Qinghai University, 2021, 39(2): 62-68.

[13]张雨 ,铁生年 ,汪长安 .改性纳米碳粉芒硝基纳米流体强化传热 [J].材料导报 , 2022, 36(18): 44-50. ZHANG Y, TIE S N, WANG C A. Enhanced heat transfer by modified nano-carbon powder in mirabilite-based nanofluid [J]. Materials Reports, 2022, 36(18) :44-50.

[14]ZHANQ P, XIAO X, MA Z W. A review of the composite phase change materials: fabrication, characterization, mathematical modeling and application to performance enhancement[J]. Applied Energy, 2016, 165: 472-510.

[15]蒋自鹏 ,张雨 ,铁健 ,等.一步法氧化改性纳米碳增强芒硝基复合相变材料热性能 [J].材料导报 , 2022, 36(12): 22-27. JIANG Z P, ZHANG Y, TIE J, et al. One-step oxidation of nano carbon materials to enhance the thermal properties of Glauber’s salt PCMs[J]. Materials Reports, 2022, 36(12): 22-27.

[16]BALANDIN A A, GHOSH S, BAO W, et al. Superior thermal conductivity of single-layer graphene[J]. Nano Lett, 2008, 8(3):902-907.

[17]KIM P, SHI L, MAJUMDAR A, et al. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes[J]. Phys Rev Lett, 2001, 87(21): 215502.

[18]SCIDA K, STEGE P W, HABY G, et al. Recent applications of carbon-based nanomaterials in analytical chemistry: critical review[J]. Anal Chim Acta, 2011, 691(1 /2): 6-17.

[19]TAO Y, LIN C, HE Y. Preparation and thermal properties characterization of carbonate salt / carbon nanomaterial composite phase change material[J]. Energy Convers Manage, 2015, 97: 103-110.

Effect of modified carbon and silicon carbide nanoparticles on light absorption and transmittance properties of Glauber’ s salt phase change materials

TIE Shengnian, HUANG Weihao, SUN Zengbao, CHEN Fenglan (New Energy Photovoltaic Industry Research Institute, Qinghai University, Xining 810016, China)

Abstract: Objective The carbon nanoparticles and the silicon carbide nanoparticles are chemically and physically modified, respectively.These modified hydrophilic nanoparticles are incorporated into mirabilite-based phase transition materials to create compositephase-change materials. A systematic design is adopted to vary the concentration of these modified nanoparticles within traditionalmirabilite-based phase change materials. The objective is to enhance the absorbance properties of the resulting composite materials across different wavelength bands. This strategic improvement in absorbance is anticipated to play a crucial role in enhancing theefficiency of solar energy photothermal conversion for mirabilite-based phase change energy storage materials.Methods In this paper, a multi-step approach was undertaken to modify nanoparticles for subsequent integration into phase-change materials. Firstly, a mixed acid solution was created by combining concentrated sulfuric acid and concentrated nitric acid.This acid was then mixed with the nanocarbon powder, and the mixture was centrifuged and dried several times after heating andreaction to produce the modified nanocarbon powder. Secondly, silicon carbide nanoparticles, along with polyvinylpyrrolidone andtetramethylammonium hydroxide were mixed and ball-milled. Subsequently, the modified silicon carbide nanoparticles were obtained by centrifugal drying. Thirdly, a mixture of Na2SO4·10H2O and Na2HPO4·12H2O in a mass ratio of 2∶8 was dissolved in a water bath at 50 ℃ for 45 min, then the modified carbon and silicon carbide nanoparticles were added with different massfractions and homogeneously dispersed in the phase-change material by ultrasonication. Finally, absorbance and transmittance characteristics were assessed using a UH4150 spectrophotometer.Results and Discussion The dispersion stability of these nanoparticles is meticulously examined using the sheath flow method image instrument. Notably, the modified carbon and silicon carbide nanoparticles exhibit no significant alterations in their morphology or structure. Importantly, no signs of agglomeration is detected, which indicates their excellent dispersion characteristicsin both water and mirabilite-based phase change materials. Moreover, static observations conducted over a 7 d period at both50 ℃ and room temperature demonstrate that these modified nanoparticles maintain their stability within the mirabilite-basedphase change material. No instances of nanoparticle delamination or agglomeration are observed, underscoring the robust stabilityof the modified nanoparticles within the composite material. The absorbance and transmittance properties of the phase change materials are analysed by integral reflectometry. The results reveal that the addition of modified carbon powder (at concentrationsof 0. 1%, 0. 5%, and 1. 0%), leading to a notable increase in average absorbance in the UV light spectrum, ranging from 20%to 35%. Conversely, there is a reduction in average transmittance for visible light, which decreases by 26% to 35%. Additionally, transmittance in the infrared light range (from 800 to 1 500 nm) decrease by 10% to 42%. Similarly, the incorporation of modified silicon carbide nanoparticles (at concentrations of 0. 1%, 0. 5%, and 1. 0%) lead to an increase in average absorbance inthe UV light spectrum by 22% to 26. 6%. Conversely, average transmittance for visible light decreased by 20% to 29%. Furthermore, there is an increase in transmittance in the infrared light range (from 1 500 to 2 700 nm) by 8% to 29%. These findingscollectively demonstrate that the addition of modified carbon and silicon carbide nanoparticles results in significant alterations inthe absorbance and transmittance properties of the mirabilite-based phase change materials, particularly across different wavelength ranges.Conclusion 1)The morphology and structure of the modified nanocarbon powder and nanosilicon carbide remain unchanged, withapproximately 95% of the particles in both aqueous and mirabilite-based composite salt systems falling within size range of 0. 2to 4 nm. This observation indicates that the modified nanocarbon powder and nano silicon carbide exhibit excellent dispersibility.2)Under static observation and in comparison with unmodified nanoparticles, the modified nanocarbon powder and nano silicon carbidewithin the solid-liquid system of the mirabilite-based phase change material displays no significant signs of agglomeration. Additionally,the crystalline mirabilite composite phase change material does not exhibit pronounced delamination. 3)The introduction of carbon nanoparticles results in an improvement in the average absorbance of the mirabilite phase change composites in the ultraviolet light range(from 200 to 400 nm), simultaneously reducing transmittance in the visible light range (from 400 to 780 nm) and the infrared lightrange (from 800 to 1 500 nm). This suggests that the inclusion of carbon nanoparticles enhances the light absorption efficiency of themanganese phase change material. 4)The average absorbance of mirabilite phase change composites incorporating silicon carbide nanoparticles notably increases by 22% to 26. 6% within the ultraviolet light spectrum (from 200 to 400 nm). Conversely, the average transmittance in the visible light range (from 400 to 780 nm) decreases, while transmittance within the infrared light range (from 1 500 to2 700 nm) increases.Keywords: Glauber’s salt; phase change materials; absorption; transmittance; modified nano carbon powder; modified nano-silicon

^{carbide powder} (责任编辑 :吴敬涛 )