摘 " "要： 為制備高效穩(wěn)定的相變儲(chǔ)熱材料，采用同軸靜電紡絲技術(shù)制備了以聚丙烯腈（PAN）為鞘、聚乙二醇（PEG）與羥基化氮化硼納米片（BN-OH）為芯的同軸納米纖維（P/PEG@x BN-OH），并分別通過場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、差示掃描量熱儀、紅外熱成像儀等手段分析了摻雜不同質(zhì)量BN-OH納米片對(duì)纖維形貌、熱性能、循環(huán)穩(wěn)定性、熱能效率及熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明：纖維形成了穩(wěn)定且連續(xù)的鞘-芯同軸結(jié)構(gòu)，平均直徑介于279～335 nm，而且PEG和BN-OH被包裹在PAN纖維內(nèi)部，內(nèi)徑大小范圍為107～188 nm；P/PEG@x BN-OH納米纖維顯示了優(yōu)異的相變儲(chǔ)熱焓值（75～78 J/g）和熱穩(wěn)定性，經(jīng)100次熱循環(huán)后PEG無相變滲漏現(xiàn)象；摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%的BN-OH納米片可將纖維的熱導(dǎo)率提高95%，而且其相變儲(chǔ)熱和釋放率分別提高了67%和154%。

關(guān)鍵詞： 同軸纖維；相變材料；羥基化氮化硼；熱導(dǎo)率；相變儲(chǔ)熱

中圖分類號(hào)： TQ340.64 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A " " " " " " " "文章編號(hào)： "１６７１－０２４Ｘ（２０24）０2－００01－09

Preparation of P/PEG@BN-OH coaxial nanofibers doped with

BN-OH nanosheets and its thermal properties

SHI Haifeng， LUO Jianwen

（School of Material Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In order to prepare the efficient and stable phase change thermal storage materials， coaxial nanofibers （P/PEG@x BN-OH） with polyacrylonitrile （PAN） as the sheath and polyethylene glycol （PEG） as the core have been prepared via a coaxial electrostatic spinning technique with hydroxylated boron nitride （BN-OH） nanosheets dispersed in a core component. The effects of various contents of BN-OH on nanofiber morphology， thermal properties， cycling stability， thermal energy efficiency and thermal conductivity are characterized respectively by field emission scanning electron microscopy， transmission electron microscopy， differential scanning calorimetry and infrared thermal imager. The results show that the nanofibers form a stable and continuous sheath-core coaxial structure with an average diameter between 279-335 nm， and PEG and BN-OH are encapsulated inside the PAN nanofibers with an inner diameter range of 107-188 nm. The P/PEG@x BN-OH nanofibers show excellent phase change thermal storage enthalpy（75-78 J/g） and thermal stability， and PEG shows no phase change leakage after 100 thermal cycles. The incorporated BN-OH nanosheets with mass fraction of 10.0% improves the thermal conductivity of the nanofibers by 95%， and their phase change thermal storage and release rates are increased by 67% and 154%， respectively.

Key words： coaxial fiber； phase change material； hydroxylated boron nitride（BN-OH）； thermal conductivity； phase change thermal storage

近年來，能源儲(chǔ)存和循環(huán)利用的材料體系日益受到人們關(guān)注，其對(duì)高效可持續(xù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的開發(fā)至關(guān)重要[1-2]。相變儲(chǔ)能材料（PCMs）以相變潛熱的形式實(shí)現(xiàn)吸收或釋放熱能[3-4]，是熱能存儲(chǔ)（TES）的有效材料[5-6]，并被廣泛用于不同熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)如太陽能開發(fā)[7-8]、綠色節(jié)能建筑[9]、食品包裝[10-11]、電力設(shè)備[12]和溫度調(diào)節(jié)織物[13-14]。然而，傳統(tǒng)PCMs的相變過程泄漏和低熱導(dǎo)率問題影響了TES使用效果，開發(fā)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且熱能效率優(yōu)異的復(fù)合PCMs成為研究人員的共識(shí)。

事實(shí)上，已有使用微膠囊[15]、多孔吸附[16-17]、溶膠-凝膠[18]和靜電紡絲[19-20]等多種方法制備穩(wěn)定PCMs的報(bào)道，但所制備相變材料的熱性能和使用效果高度依賴于相變材料含量、基體類型、界面狀態(tài)和相分離行為。因此，對(duì)于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和熱性能效果良好的相變材料來說，選擇適宜的相變材料載體以實(shí)現(xiàn)相變潛熱的儲(chǔ)存和釋放、熱能轉(zhuǎn)化與傳遞過程是非常重要的[21]。前期研究中，研究人員使用多孔材料如硅藻土、活性炭或二氧化硅及微膠囊為相變材料載體，制備了粉體、塊體和膠囊等不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的復(fù)合相變材料，雖然相變材料的熱穩(wěn)定性和循環(huán)次數(shù)得到增強(qiáng)，但由于封裝材料的尺寸效應(yīng)和相變材料含量不當(dāng)導(dǎo)致出現(xiàn)過冷結(jié)晶、熱能效率下降和相分離問題，從而致使相變材料在TES應(yīng)用過程中出現(xiàn)儲(chǔ)放熱效果不集中和相變溫度分散現(xiàn)象。

傳統(tǒng)相變材料低熱導(dǎo)率和相變滲漏問題影響了高性能相變能量轉(zhuǎn)化材料的開發(fā)應(yīng)用，而采用共混納米材料如膨脹石墨[22-23]、石墨烯[24]、碳納米管[25]、氮化硼[26]、石墨烯氣凝膠[27-28]、rGO-CNT（CNT為碳納米管）雜化氣凝膠等可以改善有機(jī)相變材料的熱導(dǎo)率和相變能力傳遞過程。Li等[29]通過真空浸漬法制備了rGO-CNT雜化氣凝膠復(fù)合的相變材料，在展現(xiàn)優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換能力和熱能儲(chǔ)存釋放能力的同時(shí)，復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率也增加了300%。Sun等[30]制備了聚乙烯醇縮丁醛包覆十八烷的同軸納米纖維，其納米纖維的熱調(diào)節(jié)能力與十八烷包封率相關(guān)。由于單組份納米纖維在相變儲(chǔ)熱效果方面存在不足，因此研究人員通過添加或共混CNT[25，31]、石墨烯[24]、氮化硼（BN）[26，32]、碳化硅（SiC）[33]、銀（Ag）[34]等來提高相變材料的熱導(dǎo)率等綜合性能。本課題組采用CNT、BN納米片摻雜、石墨烯氣凝膠封裝等方法分別對(duì)高分子相變材料的熱性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯氣凝膠在一定含量范圍內(nèi)使得高分子相變材料的熱性能和相變儲(chǔ)熱能力得到加強(qiáng)，同時(shí)也賦予了相變材料良好的光熱轉(zhuǎn)化能力和溫度調(diào)節(jié)能力。同樣，Yang等[35]通過靜電紡絲和噴涂技術(shù)相結(jié)合的方法制備了高導(dǎo)熱聚乙烯醇（PVA）/氮化硼納米片@銀納米線復(fù)合材料，在填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33% 時(shí)面內(nèi)熱導(dǎo)率提高到10.9 W/（m·K）。Chen等[36]通過靜電紡絲制備了聚偏二氟乙烯/氮化硼納米復(fù)合纖維，在BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%時(shí)熱導(dǎo)率達(dá)到 16.3 W/（m·K），而且與納米復(fù)合薄膜厚度具有相關(guān)性。然而，值得注意的是，填料與相變材料的表面相容性和界面作用是影響相變材料性能和穩(wěn)定循環(huán)使用的關(guān)鍵。因此，可通過改性納米填料來提高其與相變材料的相容性，進(jìn)而提高PCMs的熱導(dǎo)率。

為了進(jìn)一步提升傳統(tǒng)相變材料如聚乙二醇（PEG）的熱導(dǎo)率和熱效率，可通過引入羥基化改性的BN納米片減小與相變材料的界面熱阻，再通過靜電紡絲技術(shù)制備同軸納米纖維，從而制備包封結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和高導(dǎo)熱的相變復(fù)合纖維材料?；诖?，本文在制備羥基化改性BN納米片（BN-OH）的基礎(chǔ)上，采用同軸靜電紡絲法制備了以聚丙烯腈（PAN）為鞘、PEG和BN-OH納米片共混的相變材料為芯材的同軸納米纖維（P/PEG@x BN-OH），研究了纖維內(nèi)BN-OH納米片質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米纖維結(jié)構(gòu)和熱性能的影響；考察了同軸納米纖維的相變特性、熱導(dǎo)率及儲(chǔ)放熱性能的變化及影響因素，并從分子結(jié)構(gòu)方面對(duì)相變復(fù)合纖維的熱性能設(shè)計(jì)與開發(fā)進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

材料：聚丙烯腈（PAN）（Mn = 150 ku）、聚乙二醇（PEG）（Mn = 4 ku），均為天津北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司產(chǎn)品；氮化硼（BN）（直徑為1～2 μm）、磷酸，均為上海麥克林生化科技有限公司產(chǎn)品；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、硫酸、鹽酸、高錳酸鉀、H2O2（30%），均為天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司產(chǎn)品。

設(shè)備：同軸靜電紡絲機(jī)，實(shí)驗(yàn)室自制；Nicolet iS5型傅里葉變換紅外光譜儀，美國賽默飛世爾科技公司產(chǎn)品；STA 449F3型熱重分析儀（TG）、DSC 200 F3型差示掃描量熱儀，均為德國耐馳公司產(chǎn)品；Regulus 8100型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）、H7650型透射電子顯微鏡（TEM），均為日本日立公司產(chǎn)品； TPS 2500型熱常數(shù)分析儀，瑞典Hot Disk公司產(chǎn)品；VarioCAM HD head 880型 紅外熱成像儀，德國InfraTec公司產(chǎn)品；CENTER-305型熱電偶測(cè)溫儀，中國臺(tái)灣群特公司產(chǎn)品。

1.2 羥基化BN納米片（BN-OH）制備

通過氧化法制備BN-OH納米片[37-38]。首先將 1 g BN 粉末加入到H2SO4和H3PO4（體積比8 ∶ 1）的混合酸（135 mL）中；緩慢加入6 g KMnO4，保持30 ℃下不斷攪拌30 min后，再升溫到80 ℃繼續(xù)反應(yīng)12 h；然后加入6 mL H2O2 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）和120 mL去離子水終止氧化過程。隨后，將懸浮液冷卻至室溫，經(jīng)多次離心處理和去離子水洗滌，直至溶液pH值呈中性后，將沉淀物冷凍干燥，獲得BN-OH納米片。

1.3 P/PEG@x BN-OH同軸納米纖維制備

采用同軸靜電紡絲機(jī)制備復(fù)合納米纖維。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PAN/DMF紡絲液為鞘材，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的PEG溶液為芯材，其中BN-OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.5%、5.0%、7.5%、10.0%。在鞘-芯溶液進(jìn)料比為3 ∶ 2、收集距離為15 cm、紡絲電壓為12 kV條件下，制備了不同PEG含量的P/PEG@x BN-OH同軸芯鞘復(fù)合納米纖維。同樣，作為對(duì)比參照樣品，在相同條件下制備了PAN/PEG和PAN纖維。

1.4 結(jié)構(gòu)和性能表征

通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）（掃描次數(shù)64、分辨率4）和熱重分析（TG）（升溫速率10 ℃/min，溫度范圍25～800 ℃）表征BN-OH結(jié)構(gòu)；利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）在10.0 kV電壓下和透射電子顯微鏡（TEM）在100 kV電壓下表征同軸纖維形貌；通過掃描電鏡自帶能譜儀（EDS）K線系表征同軸纖維的元素分布，檢測(cè)范圍Be4～U92；通過差示掃描量熱法（DSC）研究0～100 ℃范圍內(nèi)纖維的熱性能，掃描速率為10 ℃/min；通過熱常數(shù)分析儀和紅外熱成像儀測(cè)量熱導(dǎo)率和熱成像，其中纖維膜重0.2 g，規(guī)格為4 cm × 4 cm；以85 ℃熱臺(tái)為熱源，通過CENTER-305型熱電偶測(cè)溫儀測(cè)試?yán)w維膜的相變儲(chǔ)熱和釋放能力，并記錄每5 s的溫度變化。

2 結(jié)果和討論

2.1 BN改性表征

通過FTIR和TG對(duì)BN羥基化改性進(jìn)行了表征，如圖1所示。

由圖1（a）可以看出，初始BN在1 376 cm-1處出現(xiàn)了特征的面內(nèi)B—N伸縮振動(dòng)和806 cm-1處的面外B—N彎曲振動(dòng)，這是BN特有的2個(gè)振動(dòng)峰，而相應(yīng)改性后BN-OH的2個(gè)特征峰藍(lán)移至1 387和814 cm-1處，表明羥基化后BN片層變薄，層數(shù)減少[39]。此外，BN-OH譜圖中除了出現(xiàn)BN特有的2個(gè)特征峰外，還在3 210 cm-1 處出現(xiàn)了O—H伸縮振動(dòng)，在1 190 cm-1 處出現(xiàn)了B—O變形[40-41]，都證實(shí)本文成功制備了BN-OH納米片。由圖1（b）可以看出，在50～800 ℃范圍內(nèi)，BN都是穩(wěn)定的，沒有質(zhì)量損失；而BN-OH出現(xiàn)了質(zhì)量變化，持續(xù)到500 ℃以上，這是由于-OH官能團(tuán)分解[40]和殘留溶劑揮發(fā) [42-43]而導(dǎo)致的。上述結(jié)果證實(shí)，BN-OH納米片已成功制備。

2.2 形貌結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定的形狀尺寸對(duì)于PCMs的使用至關(guān)重要，而不同的紡絲工藝制備了不同外觀尺寸的同軸纖維，因此，找到適宜的擠出比是調(diào)節(jié)纖維形貌和PCMs穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。圖2為純PAN、PAN/PEG和P/PEG@x BN-OH同軸纖維的SEM照片。

由圖2可知：純PAN靜電紡絲纖維具有光滑的圓柱形表面，纖維直徑較細(xì)，平均直徑只有131 nm。與純PAN纖維相比， PAN/PEG同軸纖維直徑明顯增大，纖維平均直徑有279 nm，說明PAN鞘材成功包覆了PEG芯材，因此，增加了同軸PAN/PEG纖維直徑；另外，同軸PAN/PEG纖維的均勻性有所下降，但PAN/PEG同軸纖維的外觀形貌沒有明顯變化，說明PEG能夠被連續(xù)包覆在PAN纖維內(nèi)部。BN-OH摻入到PEG芯中對(duì)同軸纖維形貌沒有影響；而且，隨BN-OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.5%增加到10.0%，P/PEG@x BN-OH同軸纖維平均直徑也隨之增加，分別為288、293、329和335 nm；但是，P/PEG@7.5% BN-OH和P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維的軸向均勻性變差，這是由于隨著BN-OH含量的增加PEG發(fā)生團(tuán)聚，從而致使紡絲過程中PEG芯材聚集而降低了流動(dòng)性造成的。因此，P/PEG@x BN-OH同軸纖維中BN-OH納米片的含量需控制在合理范圍，才能獲得尺寸均勻和外觀完整的同軸納米纖維。

為進(jìn)一步觀察同軸纖維的芯鞘結(jié)構(gòu)，采用TEM觀察了同軸纖維的形貌結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖3所示，并利用EDS分析了P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維中的特征元素，結(jié)果如圖4所示。

由圖3可知，相比純PAN纖維的單一形貌結(jié)構(gòu)，PAN/PEG和P/PEG@x BN-OH同軸纖維中可明顯看出連續(xù)、均勻的芯鞘結(jié)構(gòu)，說明PAN成功包覆PEG形成穩(wěn)定形貌，其內(nèi)徑大小在107～188 nm范圍內(nèi)。此外，圖3中沒有觀察到大范圍的BN-OH納米片團(tuán)聚現(xiàn)象，這表明羥基化BN納米片與PEG具有較好的相容性，因此，提升了BN-OH在PEG芯材中的分散性。由圖4可知，P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維中含有特征元素B、N、O、C，其中元素B和N源于BN納米片，其原子分?jǐn)?shù)分別為10.21%和7.9%，表明BN-OH成功摻雜到了同軸纖維中。

2.3 熱力學(xué)性能

采用DSC研究PAN/PEG和P/PEG@x BN-OH同軸纖維的熱性能，如圖5所示。相應(yīng)的熱性能參數(shù)如起始熔融/結(jié)晶溫度（Tmo /Tco）、峰值熔融/結(jié)晶溫度（Tmp /Tcp）、終止熔融/結(jié)晶溫度（Tme /Tce）和熔融/結(jié)晶焓（ΔHm /ΔHc）如表1所示。

由圖5（a）可以看出，在吸熱熔融過程中PEG呈現(xiàn)出窄而尖銳的吸熱峰，表明其具有良好的結(jié)晶性能，其中Tmp為58.2 ℃，ΔHm為161.5 J/g。對(duì)于PAN/PEG同軸纖維，吸熱過程有明顯不同。首先，PAN/PEG在熔融過程中呈現(xiàn)出較寬的吸熱峰，Tmp增加到61.6 ℃，ΔHm降低到80.2 J/g，這是由于PAN/PEG同軸纖維內(nèi)包覆的PEG含量降低所導(dǎo)致的，而且PAN纖維的鞘-芯結(jié)構(gòu)也影響了PEG的分子鏈運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致PEG與PAN纖維界面形成表面誘導(dǎo)作用，促進(jìn)了結(jié)晶行為。P/PEG@x BN-OH纖維的吸熱峰曲線與PAN/PEG相似，并且隨著BN-OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.5%增加到10.0%，吸熱溫度分別從60.2變化到62.6、60.4、62.0 ℃，熱焓值分別為78.1、77.0、76.7、75.6 J/g。這說明摻雜的BN-OH納米片雖然提升了PEG的吸熱溫度，但由于纖維直徑變化和BN-OH納米片含量增加，也影響了PEG的相變焓值。

由圖5（b）可以看出，PEG在結(jié)晶過程中呈現(xiàn)出窄而尖銳的雙重放熱峰，表明PEG具有良好的結(jié)晶能力。初始Tco、峰值Tcp、 終止Tce 分別為36.2、33.1、29.0 ℃，放熱焓值為162.4 J/g。對(duì)比本體PEG放熱過程，PAN/PEG和P/PEG@x BN-OH同軸纖維的放熱過程僅出現(xiàn)了單一放熱峰，而且相應(yīng)的初始Tco、峰值Tcp、終止Tce要高于未被纖維包覆的PEG本體，這表明摻雜的BN-OH納米片在PEG芯中起到了異相成核作用，提高了PEG的結(jié)晶能力。這與前期報(bào)道的納米纖維因纖維直徑降低而導(dǎo)致相變材料受限，進(jìn)而影響相變溫度和熱焓值不同[29]。考慮原因，主要是由于摻雜的BN-OH納米片改善了與PEG相變材料的界面相容性和分子作用，從而起到了調(diào)節(jié)相變溫度的作用。由表1可知，隨BN-OH含量增加，P/PEG@x BN-OH同軸纖維的相變焓從79.2降低到78.1、77.5、76.5 J/g，說明PEG有效包覆含量的減少影響了纖維的相變儲(chǔ)熱能力。雖然BN-OH可增加PEG的熱導(dǎo)率，但相變焓值的減少也會(huì)影響相變儲(chǔ)熱效果。因此，開發(fā)穩(wěn)定高儲(chǔ)熱相變材料應(yīng)在高相變焓值前提下，適量增強(qiáng)材料基體熱導(dǎo)率，這樣既能賦予高儲(chǔ)熱，也能保證高熱導(dǎo)的效果。

2.4 熱循環(huán)穩(wěn)定性

相變材料的循環(huán)穩(wěn)定性是影響材料服務(wù)周期的關(guān)鍵指標(biāo)。圖6給出了P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維經(jīng)50和100次熱循環(huán)后的DSC曲線。

由圖6可以看出，在50和100次熱循環(huán)后，纖維的吸放熱峰沒有變化，雖然結(jié)晶焓降低了0.42和0.7 J/g，但小于1%的變化證實(shí)了纖維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這也進(jìn)一步說明，PAN包覆PEG形成的鞘-芯纖維結(jié)構(gòu)有效防止了PEG相變過程中出現(xiàn)的滲漏和流動(dòng)現(xiàn)象，從而保證了穩(wěn)定的相變熱性能，而且可靠的熱循環(huán)穩(wěn)定性也保證了應(yīng)用的可重復(fù)性。

2.5 熱導(dǎo)率

不同BN-OH摻雜量的P/PEG@x BN-OH同軸纖維的熱導(dǎo)率如圖7所示。為驗(yàn)證BN-OH納米片摻雜后對(duì)纖維熱導(dǎo)率的影響，本文對(duì)PAN/PEG、P/PEG@5.0% BN-OH和P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維進(jìn)行了紅外熱成像研究，結(jié)果一并列入圖7中。

由圖7（a）可知，對(duì)于BN-OH納米片摻雜量為0的PAN/PEG同軸纖維，熱導(dǎo)率只有0.216 W/mK，而P/PEG@x BN-OH同軸纖維的熱導(dǎo)率明顯增大，且隨BN-OH納米片含量的增加而增加，P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維的熱導(dǎo)率達(dá)到最大，為0.421 W/mK，比PAN/PEG同軸纖維的熱導(dǎo)率提高了95%。由圖7（b）可知，在相同時(shí)間內(nèi)，P/PEG@10.0% BN-OH顏色變化最快，而PAN/PEG變化最慢，并且在相同熱源條件下，P/PEG@10.0% BN-OH的溫度達(dá)到最高。由此證實(shí)，BN-OH含量的增加可以顯著增強(qiáng)相變纖維的熱導(dǎo)率，并且促進(jìn)傳熱速率。同時(shí)需要指出的是，雖然BN-OH納米片摻雜在了纖維內(nèi)部，但P/PEG@x BN-OH同軸纖維仍展現(xiàn)了增強(qiáng)的熱傳導(dǎo)效果，并且賦予了纖維較好的熱導(dǎo)率。由于纖維在使用過程中，需要考慮相變儲(chǔ)熱和熱傳導(dǎo)行為的平衡，因此，在設(shè)計(jì)兼具高儲(chǔ)熱和高熱導(dǎo)的相變材料時(shí)，相變材料的量化和導(dǎo)熱填料的摻雜位置及含量也需要加以考慮。

2.6 熱能效率

熱能效率是評(píng)價(jià)PCMs儲(chǔ)熱和釋放能力的重要參數(shù)。圖8為PAN、PAN/PEG、P/PEG@5.0% BN-OH和P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維在加熱和冷卻過程中的儲(chǔ)熱和釋放能力對(duì)比結(jié)果。

由圖8（a）可知，對(duì)于純PAN纖維，由于沒有相變焓，所以在升溫過程中溫度呈線性升高不存在熱緩沖平臺(tái)。對(duì)于PAN/PEG、P/PEG@5.0% BN-OH和P/PEG@ 10.0% BN-OH同軸纖維，在加熱和冷卻過程中PEG發(fā)生固液相轉(zhuǎn)變而發(fā)生熱能吸收。在加熱過程中，當(dāng)同軸纖維外部溫度達(dá)到PEG熔點(diǎn)時(shí)，同軸纖維發(fā)生相轉(zhuǎn)變吸收周圍大量的熱能，導(dǎo)致升溫速率減慢，出現(xiàn)熱緩沖平臺(tái)。有趣的是，P/PEG@5.0% BN-OH和P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維隨BN-OH含量增加升溫速率加快，緩沖平臺(tái)短于PAN/PEG。這是因?yàn)锽N-OH作為熱導(dǎo)體， 被引入到同軸纖維后加快了溫度傳導(dǎo)和熱能傳遞，減少了相轉(zhuǎn)變所需要時(shí)間，起到了快速導(dǎo)熱和熱能傳遞效果。同樣，在冷卻過程中純PAN纖維降溫曲線線性下降，沒有熱能緩沖能力。對(duì)于PAN/PEG、P/PEG@5.0% BN-OH和P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維，當(dāng)外部環(huán)境降至PEG結(jié)晶溫度時(shí)，同軸纖維的芯部發(fā)生液固相轉(zhuǎn)變而放出熱能，從而減緩熱能降低速率。P/PEG@5.0% BN-OH和P/PEG@10.0%BN-OH同軸纖維隨芯部BN-OH含量的增加降溫速率加快，且熱緩沖平臺(tái)時(shí)間也短于PAN/PEG。由于BN-OH納米片的摻雜，同軸纖維的熱能吸收和熱能釋放能力都得到增強(qiáng)，但相變儲(chǔ)熱能力卻低于未摻雜的PAN/PEG纖維，這表明摻雜的BN-OH熱導(dǎo)體雖然可增加熱傳導(dǎo)，但纖維的儲(chǔ)熱吸放能力還依賴于內(nèi)部的相變材料有效含量。

在加熱過程中，把53～68 ℃ 溫度區(qū)間定義為ΔTs，在該溫度區(qū)間內(nèi)所需要的時(shí)間定義為Δts；相應(yīng)冷卻過程中把42～30 ℃ 溫度區(qū)間定義為ΔTr，在該溫度區(qū)間內(nèi)所需要的時(shí)間定義為Δtr，因此，將儲(chǔ)熱（釋放）速率R定義為ΔT與Δt的比值。BN-OH納米片含量對(duì)同軸纖維儲(chǔ)熱率（Rs）和釋放率（Rr）的影響如圖8（b）所示。由圖8（b）可知，隨BN-OH含量的增加，Rs和Rr增大，顯示出Rs和Rr對(duì)BN-OH含量的依賴性。當(dāng)BN-OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，Rs和Rr分別為0.040 5 和0.042 9 ℃/s，比PAN/PEG同軸纖維分別提高了67%和154%，表明BN-OH的加入加快了同軸纖維的相變儲(chǔ)熱和釋放效率。此外，Rr相比于Rs提升的更高，這可能是由于冷卻過程中BN-OH作為成核劑進(jìn)一步加快了PEG的結(jié)晶造成的，證實(shí)在同軸纖維中引入少量的BN-OH且在不減少相變焓的情況下就可以極大提高相變儲(chǔ)熱和釋放速率。

3 結(jié) 論

本文通過靜電紡絲技術(shù)制備了以PAN為鞘、BN-OH摻雜PEG為芯的同軸纖維。研究結(jié)果表明：

（1） 基于PAN鞘的保護(hù)，P/PEG@x BN-OH同軸纖維表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，而且有效防止了同軸纖維芯部液態(tài)PCMs的泄漏，同時(shí)P/PEG@10.0% BN-OH同軸纖維保持著75.6 J/g的高相變焓，證明了P/PEG@x BN-OH同軸纖維具有良好的儲(chǔ)能性能。在經(jīng)過100次熱循環(huán)后，相變特性變化不大，說明其具有優(yōu)異的熱可靠性。

（2） 同軸纖維芯中BN-OH的引入，明顯提高了同軸纖維的熱導(dǎo)率，P/PEG@10.0% BN-OH比PAN/PEG熱導(dǎo)率提高了95%。此外，P/PEG@10.0% BN-OH比PAN/PEG儲(chǔ)熱和釋放速率分別提高了67%和154%。

（3） 本文所制備的新型P/PEG@x BN-OH復(fù)合同軸纖維PCMs擁有良好的儲(chǔ)能、導(dǎo)熱性和熱緩沖性能，在探索高效可循環(huán)和持續(xù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)中擁有廣闊的發(fā)展前景。

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本文引文格式：

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