相变分散体（PCD）的稳定性表征

相变分散体（PCD）的稳定性表征

相变分散体最近在等温冷却应用中引起了人们的兴趣。相变分散体 (PCD) 是分散相变材料 (PCM) 的乳液，用表面活性剂在连续相（通常是水）中稳定。与其他两相流体例如冰浆、笼形水合物浆和微胶囊相变材料浆（MPCMS）相比，PCD 往往具有更简单的制备技术、更小的热阻和更低的成本。

对于实际的热管理，必须解决不稳定等关键问题。PCD 在循环时由于液滴之间的液膜变薄和破坏（聚结）而不稳定，这是一个不可逆的过程。为了提高PCD的稳定性，需要使用合适的乳化剂体系。非离子吐温乳化剂是稳定分散体最有效的乳化剂，并将其归因于 PCM 周围形成致密界面层，而 PCM 又因空间效应而稳定。而较小的粒径和较高的粘度同样会提高 PCD 的稳定性。然而，减小 PCD 中 PCM 的液滴尺寸会增加 PCD 内的过冷程度。

为了找到满足工业规模应用要求的 PCM 配方，需要对 PCM、乳化剂系统和添加剂进行广泛的筛选。

实验材料

相变材料（分散相）

在PCD中，由于PCM与乳化剂体系的混合，所得PCD的熔化温度总是低于纯PCM的熔化温度。因此，PCM 熔化温度选择比 PCD 的计划相变温度 (50°C) 高几个开尔文。这项工作中研究的 PCM 由两种商业脂肪酸酯组成：Crodatherm-53/Crodatherm-47 (50:50)。

乳化系统

为系统选择合适的乳化剂需要计算疏水亲油平衡 (HLB)。根据方程计算。

HLB = 20 × Mh/M

该乳化剂系统的 HLB 平衡计算值为 15.3。

成核剂

当发生从液体到固体的相变时，围绕中心核形成新的分子结构。这种核的产生需要能量的转移，这是新形成的表面的结果。该过程导致材料的熔化温度和结晶温度之间存在偏差。这种现象称为过冷。使用了两种解决过冷问题的方法：第一种是在 PCD 中添加熔点较高的 PCM，即熔点为 70°C 的硬脂酸。第二种方法涉及添加平均粒径在 10 至 70 nm 之间的氮化硼纳米粒子。

连续相

所用连续相的主要成分是电导率为0.6 μS cm−1 的去离子水。此外，将 1.6% 甘油添加到连续相中，以将乳化剂稳定在 PCM 表面。

PCD 样品的制备

对于要研究的每个 PCD，PCD 中的两相（连续和分散）及其相关添加剂的制备和混合如图 1 中的示意图所示。

图2

稳定性表征

在本研究中，研究了抗乳化、沉淀和聚结的稳定性。使用 LUMiSizer®分散体系分析仪代替对 PCD 进行长期搁置测试。LUMiSizer® 是一款预先校准的光学分析仪器，可将光传输散射到整个 PCD 样品。在操作过程中，PCD 样品被放入样品管中，施加高达 2300 倍重力加速度 (g) 的情况下。为了计算 g=9.81 m s−2 时样品的寿命，测量的持续时间乘以施加的重力加速度。LUMiSizer® 的示意图如图 3 所示。

PCD 样品暴露于不同的重力加速度下，并测量 PCD 样品的稳定性

两个不同的温度（25 和 60°C）。使用两种不同的温度来比较PCD处于悬浮液和乳液形式时的稳定性。这是为了 PCD 系统的未来操作设计。图 3 显示了 LUMiSizer®的示意图。 在采样过程中，传输光的强度在时间和空间上被检测，随后被解析，然后转换为传输曲线。传输曲线显示 PCD 浓度在计算时间内的变化，从而表明是否发生了乳化或沉淀过程“ISO/TR 13097”。

图3

图4

根据透光率曲线，计算出量化 PCD 保质期的不稳定性指数。不稳定指数的低值表明 PCD 是稳定的并且将具有长期稳定性。此外，只要不稳定性指数不超过最终不稳定性指数值（最大可能的不稳定性）的 10%，就认为样品足够稳定。

稳定性结果与讨论

PCD 乳化所需的稳定性取决于所需的应用。例如，在数周或数月不操作或运输期间，PCD必须在存储容器内保持稳定。其次，在操作过程中，当PCD在乳液和悬浮液之间波动时，需要在几分钟或几小时内保持抗乳化的稳定性。在 25 °C 时，PCD 处于悬浮液状态，因为温度低于石蜡的熔点，PCM 颗粒呈固态，因此粘度预计会更高。粘度越高，PCD 越稳定，这表明悬浮液形式（熔点以下）的 PCD 比乳液形式（熔点以上且石蜡为液体时）更稳定。

图7

图8

图 7 突出显示了 PCD 在 2300g 的压力下在 LUMiSizer® 中测试 20 小时后所经历的分离程度。 为了确定成核剂 (NA) 是否对分散体的稳定性有影响，在 LUMiSizer® 中于 25 和 60 °C 下测试了含有和不含 NA 的 PCD 样品。PCD 的稳定性越高，稳定性指数随时间的增加越低。从图 8 中，指示的限值 0.08（虚线）显示最大不稳定性指数为 0.8，这是在 2300g 下 22 小时后获得的。图 8 显示，在 25°C 下测得的寿命超过 300 天，而在 60°C 下乳液的寿命为 25 天。这表明了工业设计中需要考虑的温度限制。还可以看出，NA的添加并没有影响PCD的稳定性。

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