氢键增强共聚物缠绕微管的制备及性能测试.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.4(下)-65-工 业 技 术传统化石燃料的使用导致全球变暖,能源危机日益加剧,促使人们对可再生和可持续清洁能源进行广泛探索1。氢已被认为是未来可持续发展的主要能源载体。然而缺乏安全有效的方法来储存高质量和高体积密度的氢气,是限制氢能大规模应用的关键技术难题2。目前主流储氢方式包括高压储氢气瓶、高压复合储氢罐和玻璃储氢容器,但金属类储氢罐受成本高、自重沉、易发生氢脆等因素的限制。其中,玻璃类储氢系统不存在金属类储氢系统的氢脆问题,并且玻璃的自重较小、制作成本较低,比金属类储氢系统更具有优势3。本文针对 GT 抗剪切力不足的问题,采用共混 PVA 和PAA,制备共
2、混聚合物,将其包裹在 GT 表面,以提升 GT 的抗剪切力性能。同时将 PVP 代替 PAA,并作为对照组进行一系列表征和抗剪切力性能测试,探讨共混聚合物对 GT 抗剪切力性能的影响和相关机理,为后续抗剪切力方向的研究提供新的思路和方向。1 试验部分玻璃微管(GT)和空心玻璃微球是常见的玻璃类储氢系统。其中,填充进储氢器时,空心玻璃微球会因发生碰撞而产生破损,或在运输颠簸中产生破损,进而埋下安全隐患。GT 则常采用缠绕式,可避免出现和空心玻璃微球相同的问题,进一步加强了 GT 在氢、运氢和用氢中的安全性。但 GT在抗剪切力过程中仍受自身材质和产品外观特性的限制,即GT 的抗剪切力性能较差。为提
3、升 GT 类材料的抗剪切力性能,减少剪切力对其造成的影响,消除安全隐患,涂覆或包裹技术是常见的提高材料抗剪切力强度的方法。玻璃毛细管是氢气存储容器的一种典型形式,也有球形形式,但球形氢气存储容器更小。因为球形氢气存储容器的体积和形状过于局限,填充或释放氢气时会产生较大作用力,进而导致球形氢气存储容器出现破损。所以玻璃毛细管成为氢气存储容器的最佳形式,即玻璃微管(GT)。GT 常采用缠绕式,用以提高储氢、运氢和用氢的安全性。但作为玻璃制品,其在生产制备过程中会产生玻璃碎片或其他瑕疵,从而导致缠绕过程出现异物,对周围的 GT 造成影响,尤其是产生剪切力。并且受 GT 本身材质的影响,其抗剪切力性能
4、通常远小于抗拉伸性能。聚乙烯醇(PVA)是重要的化工原料之一,常被用作乳化剂、纸张涂层、黏合剂和胶水等。因此可将 PVA 作为黏合剂,将其包裹在 GT 表面,提升材料整体的抗剪切力强度。同时引入聚丙烯酸(PAA),用于提高聚合物强度,如聚氨酯、聚乳酸和混合聚合物等。首先,对原始的 GT 进行预处理,使用无水乙醇和超纯水交替冲洗微管表面,去除表面附着的污染物。其次,向体积比为 70 30 的 50mL 乙醇和水的混合溶液中加入 1.0g 的PVA,并升温至 80,持续搅拌,直到聚合物完全溶解于混合溶液中。再次,向 PVA 溶液分别加入 0.1g、0.2g、0.3g、0.4g 和 0.5g 的 P
5、AA,在 80下搅拌至完全溶解,冷却后制得PVA-PAA 系列溶液。最后,将干燥的 GT 分别浸渍到 PVA-PAA 系列溶液中,使 PVA 和 PAA 共混包裹在 GT 表面,并在温度为 60的烘箱中干燥,得到 PVA 和 PAA 共包裹的GT 系列微管,分别命名为 GVA1、GVA2、GVA3、GVA4 和GVA5。将 PAA 替换为 PVP,其他步骤不变,可制得 PVA和 PVP 共包裹的 GT 系列微管,分别命名为 GVV1、GVV2、GVV3、GVV4 和 GVV5。2 试验结果与讨论2.1 共聚物包裹的 GT 的结构表征分析为了确定 PVA 分别与 PAA、PVP 是否成功包裹在
6、GT 表面,对 GT、PVA、GVV5 和 GVA5 进行傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测试。选取 GVV5 和 GVA5 的原因是在 PVA 加入量相同的情况下,PVP 和 PAA 的添加量分别是 GVV 系列微管和 GVA 系列微管中最多的。FT-IR 测试结果如图 1 所示。从图 1 可以看出,在受红外光照射的情况下,由于 GT、PVA、GVV5 和 GVA5 表面的基团不同,所得曲线也有明显差异。PVA、GVV5 和 GVA5 的 FT-IR 曲线中,在 3300cm-1附近均出现较宽的吸收峰,是-OH 的对称拉伸振动峰。在2941cm-1和2918cm-1处的2个峰是由聚合物中的-
7、CH2-不对称拉伸导致的。PVA和GVV5在1715cm-1附近出现的尖峰归因于 C=O 的拉伸振动。而 GVV5 在 1735cm-1和 1643cm-1处的 2 个峰分别归属于不同化学环境的 C=O 的特征峰。PVA、GVV5和GVA5在1251cm-1附近出现了归属于-CH2-的弯曲氢键增强共聚物缠绕微管的制备及性能测试彭仁文1徐飙1王明明1任泽森2曹人靖2(1.深圳市鑫明光建筑科技有限公司,广东 深圳 518110;2.南方科技大学工学院,广东 深圳 518055)摘 要:氢能被誉为新时代的明星能源,其燃烧后产物仅为水,释放能量可达1.4105kJ/kg,是环境友好型能源的代表。但在产
8、氢、储氢、运氢和用氢过程中,储氢设备的发展一直是氢气使用的关键因素。常见的储氢灌具有自重大、成本高和易产生氢脆等不可回避的问题。新型玻璃微管类储氢装置具有体积小、自重小和成本低等优点,但也受制于玻璃产品的自身特性,在抗剪切力方面略显不足,存在安全隐患。因此,本文将聚吡咯烷酮(PVP)或聚丙烯酸(PAA)掺杂到聚乙烯醇(PVA)聚合物中,共同修饰玻璃微管(GT),利用修饰在 GT 表面的复合聚合物可分散施加在材料表面的应力来提高材料的抗剪切力。未经修饰的 GT 的抗剪切力为(5.480.09)MPa,经 PAA 和 PVA 共同修饰的 GVV4(PVA 和 PVP 共包裹的 GT 系列微管之一)
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