關(guān)于定形相變材料及其石膏基儲(chǔ)能建筑材料的探索
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：張毅
相變材料作為潛熱儲(chǔ)能的重要功能介質(zhì)可利用其自身相變過程中的儲(chǔ)存或釋放熱量來緩解周圍環(huán)境溫度的波動(dòng)，目前國內(nèi)外圍繞其在提高能源利用和新材料開發(fā)的研究十分活躍。
將相變材料與傳統(tǒng)建筑材料結(jié)合后制備的新型儲(chǔ)能建筑材料應(yīng)用于建筑中可充分發(fā)揮相變材料的蓄熱性能，提高人體舒適度，節(jié)約能源，降低成本，有效緩解供需失衡的矛盾。Zhang Huanzhi等通過原位聚合法合成微膠囊，將其與石膏粉和玻璃纖維混合后，利用模壓法制成新型調(diào)溫石膏板，在確保機(jī)械強(qiáng)度的前提下，該石膏板具有穩(wěn)定優(yōu)異的熱性能。Lv Shilei等以癸酸-月桂酸二元脂肪酸作為儲(chǔ)能基元來制備相變墻板，在經(jīng)歷120、240、360次加速熱循環(huán)后仍能保持良好的儲(chǔ)熱性質(zhì)，可以將其應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域進(jìn)行潛熱儲(chǔ)能。Xu Biwan等制備了石蠟／硅藻土定形相變材料，將其以不同摻量添加到水泥基復(fù)合材料中，結(jié)果表明，摻入定形相變材料后，水泥基復(fù)合相變材料的機(jī)械強(qiáng)度、干縮應(yīng)變、熱導(dǎo)率均有降低，然而，隨著定形相變材料摻量的增加，材料的儲(chǔ)熱性質(zhì)得到了顯著提高。
相變材料的引入往往會(huì)明顯降低儲(chǔ)能建筑材料的工作性能，在施工過程中容易產(chǎn)生結(jié)塊、流動(dòng)性差的特點(diǎn)，制約了其規(guī)模化的應(yīng)用�；谏鲜隹紤]，筆者將三元脂肪酸／硅藻土定形相變材料應(yīng)用于建筑石膏中，摻入適量的減水劑可明顯改善儲(chǔ)能建筑材料的和易性，通過對(duì)比儲(chǔ)能建筑材料和普通石膏建筑材料隨環(huán)境溫度變化的時(shí)間-溫度曲線，評(píng)價(jià)儲(chǔ)能建筑材料的調(diào)溫性能。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1材料及儀器
月桂酸（LA，T m=42.5℃，H m=162.4 J/g）、肉豆蔻酸（MA，Tm=55.1℃，H m=175.7 J/g）、棕櫚酸（PA，Tm=63. 3℃，H m=181.5 J/g），均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；硅藻土顆粒，化學(xué)純，廣東西隴化工有限公司生產(chǎn)。
1.2 LA-MA -PA/硅藻土定形相變材料的制備
將LA、MA和PA按一定比例置于燒杯中，在60℃水浴中加熱至完全熔融后得到LA -MA -PA三元脂肪酸低共熔物。以LA -MA -PA為相變材料，烘干12 h的硅藻土為擔(dān)載材料，采用真空吸附法制備定形相變材料。相變材料的摻量越大，則定形相變材料的潛熱越大，但摻量過多會(huì)相變過程中引起液態(tài)脂肪酸的滲漏。為了確定LA -MA -PA的最佳摻量，制備了4組LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料(LA -MA -PA與硅藻土質(zhì)量比分別為1：2、1：1、1. 5:1、2：1)。隨著脂肪酸摻量的增加，定形相變材料的顏色逐漸加深且團(tuán)聚現(xiàn)象越加明顯，當(dāng)LA -MA -PA:硅藻土之比為2:1時(shí)出現(xiàn)明顯粘結(jié)的顆粒，為了保證定形相變材料穩(wěn)定的儲(chǔ)能性質(zhì)，將吸附最大量確定為m(LA-MA-PA):m(硅藻土)=1.5：1。
1.3石膏基儲(chǔ)能材料的制備
將聚羧酸減水劑與顆粒狀定形相變材料、石膏、水按一定比例混合攪拌均勻后裝模振實(shí)。隨著定形相變材料摻量的增加，石膏基相變材料的流動(dòng)性逐漸降低，當(dāng)定形相變摻量達(dá)到20%時(shí)，試樣過干難以拌合，因此制備定形相變材料摻量分別為石膏基儲(chǔ)能建筑材料的0%、5%、15%的3組石膏基相變儲(chǔ)能材料。
2結(jié)果討論
2.1微觀結(jié)構(gòu)
硅藻土及LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1(a)可知，硅藻土微觀上呈雙面的立體圓盤狀結(jié)構(gòu)，兩側(cè)的圓盤上密布了針孔狀的孔隙，這種多孔結(jié)構(gòu)使得硅藻土具有較大的比表面積同時(shí)為吸附LA -MA -PA提供了較大的存儲(chǔ)空間。由圖1(b)可知，硅藻土圓盤結(jié)構(gòu)兩側(cè)的孔隙均勻密實(shí)地被脂肪酸填滿，且兩者具有較好的物理相容性，在相變過程中液態(tài)脂肪酸可依靠表面張力和毛細(xì)管作用被牢固地吸附于硅藻土的孔隙結(jié)構(gòu)中，從而降低了脂肪酸的泄漏，保證了LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料的儲(chǔ)能性質(zhì)。
2.2熱性能分析
LA -MA -PA和LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料的DSC曲線如圖2所示。由圖2可知，三元脂肪酸LA -MA -PA的DSC曲線出現(xiàn)了單一的熔融峰，說明3種脂肪酸處于共晶狀態(tài)，此時(shí)，相變溫度和相變潛熱分別為30.2℃和155.3 J/g。LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料的相變溫度和相變潛熱分別為30.4℃和89.2 J/g，由于硅藻土對(duì)于相變溫度影響不明顯，因此定形前后的相變溫度穩(wěn)定。LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料的潛熱約為LA -MA -PA的57. 4%，這與定形相變材料中LA -MA -PA的吸附量基本一致。由LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料的相變溫度和潛熱可知，將其應(yīng)用于夏炎熱地區(qū)的建筑中作為儲(chǔ)能材料可改善人體舒適度，降低能耗。
2.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
LA -MA -PA、硅藻土、LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料的FT -IR譜圖如圖3所示。由圖3可知，對(duì)比3條譜線，LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料的圖譜只是LA -MA -PA圖譜和硅藻土圖譜的簡單疊加，即有機(jī)脂肪酸相變材料LA -MA -PA與硅藻土之間僅靠物理作用結(jié)合并沒有新物質(zhì)生成。依靠毛細(xì)管和表面張力的作用，LA -MA -PA被存留于硅藻土的內(nèi)部孔隙中，有效地阻止了相變過程中液態(tài)脂肪酸的滲漏，保證了定形相變材料的儲(chǔ)能性質(zhì)。
2.4石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料的調(diào)溫功能
空白石膏建筑材料及石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料隨環(huán)境溫度變化即時(shí)間-溫度曲線如圖4所示。由圖4可知，含相變材料的2種石膏基建筑材料試樣無論升溫時(shí)還是降溫時(shí)都比空白石膏試樣要遲緩。這是因?yàn)樯郎剡^程中相變材料不斷吸收周圍環(huán)境的熱量，從而延緩溫度升高；降溫過程中相變材料不斷依靠向周圍環(huán)境放熱來緩解溫度降低。升溫過程和降溫過程中，空白石膏建筑材料的平均溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別為44.9、24.7℃，5%、15%摻量石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料的平均溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別為43.5℃，41.9℃和25.6、26.6℃。其中，定形相變材料摻量越大控溫效果越明顯，當(dāng)其摻量為15%時(shí)，溫度最高點(diǎn)降低了3.0℃，溫度最低點(diǎn)提高了1.9℃，整體溫差為4.9℃�；谙嘧儾牧系膬�(chǔ)能特性，在不顯著影響施工和易性和力學(xué)性能的前提下，復(fù)合相變材料摻人量越大，調(diào)溫效果和建筑節(jié)能作用越明顯。
2.5石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料的滲漏情況
定形相變材料的摻量越大，石膏基相變建筑材料的儲(chǔ)能效果越好，但過量的相變材料在相變過程中會(huì)造成液體滲漏，不利于材料的使用性能及美觀。將定形相變材料摻量為5%、15%的石膏基相變材料放置于烘箱內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱處理，觀察脂肪酸的滲漏情況。當(dāng)溫度超過定形相變材料的相變溫度并于40℃保溫2h時(shí)，定形相變材料摻量為5%的石膏基相變材料表面無變化；定形相變材料摻量為15%的石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料的表面僅出現(xiàn)了個(gè)別的滲漏點(diǎn)。說明定形相變材料的摻入量均未過量，且該石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料在拌合過程中攪拌均勻，振搗密實(shí)，定形相變材料能夠均勻分布于石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料的內(nèi)部，因此具有較好的工作性能。但由于施工工程具有不確定性，為了確保石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料的穩(wěn)定性能，有必要探索更完善的試驗(yàn)方案。
3結(jié)語
利用真空法制備了4組不同脂肪酸吸附量的LA -MA -PA/硅藻土定形相變材料，當(dāng)LA -MA -PA與硅藻土的質(zhì)量比為1. 5:1時(shí)，定形相變材料的相變溫度和相變潛熱分別為30.4C和89.2J/g，顆粒間無明顯粘結(jié)現(xiàn)象。該定形相變材料與建筑石膏復(fù)合可制備工作性良好且具有明顯調(diào)溫功能的石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料，定形相變材料摻入量越大，則調(diào)溫性質(zhì)越明顯。周圍環(huán)境溫度相同情況下，石膏基相變儲(chǔ)能建筑材料與普通石膏相比，溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的峰值相差4.9℃。石膏基相變材料經(jīng)熱處理后僅發(fā)生個(gè)別滲漏點(diǎn)，說明定形相變材料沒有過量且其均勻分布于石膏基建筑材料的內(nèi)部。
4 摘要：以月桂酸-肉豆蔻酸-棕櫚酸三元低共熔脂肪酸( LA-MA-PA)為相變芯材，硅藻土為擔(dān)載材料，基于真空吸附法制備了不同質(zhì)量比的LA -MA-PA／硅藻土定形相變材料并確定了最佳配比。采用SEM、FT -IR、DSC對(duì)該定形相變材料的微觀形貌、結(jié)構(gòu)和熱性能進(jìn)行表征分析。將其與建筑石膏結(jié)合制備石膏基儲(chǔ)能建筑材料，并對(duì)其調(diào)溫功能和相變過程中脂肪酸的滲漏情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。蓄放熱試驗(yàn)表明，含15%定形相變材料的石膏基儲(chǔ)能建筑材料的溫度波動(dòng)明顯小于普通石膏建筑材料，兩者溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的差值為4.9℃。此外，對(duì)石膏基儲(chǔ)能建筑材料進(jìn)行熱處理后并沒有造成其中脂肪酸的明顯滲漏情況。
