臺灣博碩士論文加值系統

本研究目標在研製高導熱石蠟相變化複合材料，以石蠟(paraffin wax)為基材，導入經由酸化與十八烷醇改質處理之膨脹石墨(expandable graphite)及多壁奈米碳管(multi-walled carbon nanotube)作為導熱添加劑，再將絕緣無機填充料氮化硼(BN)加入，經由分散技術，使得石蠟與無機添加物間之相容性提升，成為具相變化功能之導熱複合材料，並對於複合材料之熱傳導、熱性質、型態學及電氣性質進行探討。
由熱傳導可得知當有機改質無機填充料添加到石蠟後，熱導係數由0.2566提升到4.402 W/mK，顯示傳導的路徑及網路形成，有助複合材料的散熱行為；由掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察複合材料的表面形態，顯示經有機改質之無機填充料與石蠟之分散性、相容性有所提升；由微差式掃描熱分析(DSC)，複合材料的相變溫度與石蠟相似，其相變潛熱與複合材料中石蠟含量成正比；由儲熱/放熱性能測試結果發現，複合材料其儲熱時間比石蠟減少73.7%，放熱時間比石蠟減少90.1%，且在固-液相變時不會有石蠟滲出；表面電阻會隨著導熱填料的加入而降低，最低為7.26×100 Ω/cm2，由以上結果顯示，添加改質導熱填料可改善複合材料的導熱性能，且能降低表面電阻。

As a phase change material (PCM), paraffin has high latent heat, but low thermal conductivity. In this study, expanded graphite (EG), multi-walled carbon nanotube (MWCNT) and boron nitride (BN) were added into paraffin to form a high thermal conductivity composite material with high latent heat value. Moreover, the EG, MWCNT and boron nitride were organo-modified to improve the compatibility with paraffin. Thermal conductivity of paraffin (0.2566 W/mK) was increased to 4.402 W/mK by adding of the modified fillers. The results of scanning electron microscope show that the dispersion and compatibility between inorganic fillers and paraffin were improved by the organic modification of fillers. Moreover, differential scanning thermal (DSC) analysis reveals that the phase change temperature of PCM are similar to that of paraffin, and the latent heat of PCM is based on the mass fraction of paraffin in the PCM. The results of heat storage and release tests indicate that the time of thermal-energy storage and release of the PCM was decreased by 73.7% and 90.1%, respectively as compared with that of paraffin. Moreover, there was no exudation of paraffin liquid during the solid-liquid phase change process. The surface resistivity is decreased by adding the hybrids filler, the minimum value is 7.26×100 Ω/cm2. On the basis of all results, it revealed that the use of modified filler hybrids can be considered an effective method to improve the thermal conductivity of paraffin also reduce the surface resistivity of PCM.

目錄
中文摘要 I
Abstract II
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒 論 1
1-1 前言 1
1-2 儲能形式 1
1-2-1 顯熱儲存 2
1-2-2 潛熱儲存 3
1-2-3 化學能儲存 3
1-3 相變化材料(Phase Change Materials，PCM)簡介 4
1-4 相變材料分類 5
1-4-1 有機類相變材料 8
1-4-2 無機類相變材料 12
1-4-3 複合相變材料 16
1-5 選擇相變材料的原則 18
1-6 導熱劑簡介 20
1-6-1奈米碳管 21
1-6-1-1奈米碳管的結構和性質 21
1-6-1-2奈米碳管的合成 23
1-6-1-3奈米碳管的化學修飾法 25
1-6-2膨脹型石墨 26
1-6-3氮化物陶瓷材料 28
1-7 改質劑 30
1-8基礎熱傳理論 32
1-8-1熱傳導 33
第二章 文獻回顧及研究動機 35
2-1 文獻回顧 35
2-2 研究動機 50
第三章 實驗內容 51
3-1 實驗藥品 51
3-2 儀器設備 55
3-3儀器測試方法及條件 57
3-4 實驗概述 62
3-5實驗流程 62
3-5-1 氮化硼改質 62
3-5-2膨脹石墨改質 63
3-5-3奈米碳管改質 66
3-5-4石蠟/導熱粉體相變化複合材料之製備 68
第四章 結果與討論 70
4-1氮化硼表面改質鑑定 70
4-1-1氮化硼表面改質接枝量分析 70
4-2膨脹石墨有機改質之鑑定 71
4-2-1 X射線繞射分析 71
4-2-2膨脹石墨有機改質接枝量分析 73
4-2-3膨脹石墨有機改質分散性分析 74
4-3奈米碳管有機改質鑑定 75
4-3-1奈米碳管有機改質接枝量分析 75
4-3-2 奈米碳管穿透式電子顯微鏡TEM 分析 76
4-3-3 奈米碳管有機改質分散性分析 78
4-4 PCM複合材料之熱性質分析 79
4-4-1 微差式掃描熱分析儀(DSC)測試 79
4-5 PCM複合材料之SEM形態學分析 81
4-6 PCM複合材料之導熱性質分析 84
4-6-1 PCM複合材料熱傳導分析 84
4-6-1-1 PCM複合材料單一填料系統熱傳導分析 84
4-6-1-2 PCM複合材料混合兩種導熱填料系統熱傳導分析 86
4-6-1-3 PCM複合材料混合三種導熱填料系統熱傳導分析 88
4-6-2 PCM複合材料之儲熱和放熱性能分析 90
4-7 PCM複合材料之密度分析 94
4-8 PCM複合材料之導電性質分析 95
第五章 結論 98
第六章 參考文獻 101






圖目錄
圖1- 1相變材料的分類 6
圖1- 2相變材料的分類 7
圖1- 3用於低溫儲存PCM含Polyacrylamine、H2O三維網絡結構 17
圖1- 4碳元素之同素異形結構 21
圖1- 5奈米碳管分類 23
圖1- 6石墨結構 27
圖1- 7膨脹石墨的SEM圖 28
圖1- 8六方氮化硼結構 29
圖1- 9 Arkles 作用機構模型 31
圖1- 10熱傳導、熱對流與熱輻射 32
圖1- 11一維熱傳導示意圖 34
圖2- 1石蠟和PCM的儲熱和釋熱曲線圖 35
圖2- 2添加不同比例膨脹石墨其複合相變材料的熱傳導值 36
圖2- 3相變複合材料石蠟含量和潛熱值關係圖 36
圖2- 4添加不同比例的β-AlN的熱傳導係數值 37
圖2- 5 PI/BN複合材料經由添加混合粒徑BN的熱傳導值 39
圖2- 6 AlN (A-100及A-500型)混合SiC之熱傳導係數 40
圖2- 7不同溫度下熱傳導係數提升的比例 41
圖2- 8不同比例奈米碳管的熱傳導值 42
圖2- 9 奈米碳管表面改質與化學改質SiCnp 44
圖2- 10環氧樹脂複合材料添加不同型式填料的熱傳導示意圖 45
圖2- 11環氧樹脂複合材料添加AlN或混合填料的熱傳導係數 46
圖2- 12 AlN與混合填料在基材中分散示意圖 47
圖2- 13環氧樹脂複合材料添加不同含量奈米碳管的熱傳導係數 48
圖2- 14環氧樹脂複合材料添加不同含量BN的熱傳導係數 49
圖2- 15環氧樹脂複合材料添加混合填料系統的熱傳導係數 49
圖3- 1示差掃描熱量分析儀量測曲線示意圖 58
圖3- 2 Hot-Disk儀器結構 60
圖3- 3氮化硼改質反應機制 63
圖3- 4膨脹石墨改質流程圖 64
圖3- 5膨脹石墨改質反應機制 65
圖3- 6奈米碳管改質流程圖 66
圖3- 7多壁奈米碳管改質反應機制 67
圖3- 8石蠟/導熱填料相變化複合材料製備流程圖 69
圖4- 1氮化硼表面改質前後之TGA曲線圖 70
圖4- 2石墨XRD圖 71
圖4- 3膨脹石墨X-ray圖 72
圖4- 4經酸化處理之膨脹石墨X-ray圖 72
圖4- 5膨脹石墨改質前後之TGA曲線圖 73
圖4- 6 膨脹石墨、酸化膨脹石墨、有機改質膨脹石墨在水與氯仿溶液中之分散性 74
圖4- 7奈米碳管改質前後之TGA曲線圖 76
圖4- 8碳管之TEM圖( ×400k ) 77
圖4- 9 原始奈米碳管、酸化碳管、改質碳管在水及有機溶劑中之分散情形 78
圖4- 10石蠟及PCM複合材料之DSC曲線圖 80
圖4- 11石蠟/改質石墨相變化複合材料之SEM圖(×3000) 82
圖4- 12石蠟/改質石墨、未改質氮化硼混合填料相變化複合材料SEM圖(×3000) 82
圖4- 13石蠟/改質石墨、改質氮化硼混合填料相變化複合材料之SEM圖(×3000) 83
圖4- 14原始氮化硼的SEM圖 83
圖4- 15單一導熱填料之熱傳導係數比較圖 85
圖4- 16 PCM複合材料混合兩種導熱填料之熱傳導係數比較圖 87
圖4- 17 PCM複合材料混合三種導熱填料之熱傳導係數比較圖 89
圖4- 18 PCM複合材料之加熱曲線圖 93
圖4- 19 PCM複合材料之冷卻曲線圖 93
圖4- 20 石蠟與PCM複合材料之密度比較圖 95





































表目錄
表1- 1三種熱能儲存方式比較 4
表1- 2有機類及無機類相變儲能材料比較 6
表1- 3有機類石蠟的熔點和潛熱值 10
表1- 4有機類非石蠟的熔點和潛熱值 11
表1- 5脂肪酸的熔點和潛熱值 12
表1- 6無機水合鹽的物理性質 15
表1- 7應用於水合鹽相變材料的增稠劑與成核劑 16
表1- 8相變儲能材料的特性 18
表1- 9三種奈米碳管生成方法比較 24
表1- 10導熱填料的性質 30
表3- 1各樣品成份比例及代號 68
表4- 1 PCM複合材料之熱分析數據 80
表4- 2 PCM複合材料單一導熱填料之熱傳導係數 85
表4- 3 PCM複合材料混合兩種導熱填料之熱傳導係數 87
表4- 4 PCM複合材料混合三種導熱填料之熱傳導係數 89
表4- 5 石蠟與PCM複合材料之儲熱與冷卻時間 91
表4- 6 石蠟與PCM複合材料之密度數據表 94
表4- 7 PCM複合材料之表面電阻 97

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