相變石蠟復合膨脹珍珠巖的制備與表征★

郭振華 馬 康 蘭北辰

(1.河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300402; 2.中鐵建設集團有限公司，北京 100080)

0 引言

目前，能源問題十分嚴峻，建筑節能已迫在眉睫。在執行建筑節能的標準和政策當中，相變材料的應用越來越受到人們的高度關注。相變材料是指在物相變化過程中溫度保持恒定的物質，其顯著特點是隨溫度變化而發生相變，并提供大量的潛熱［1-3］。這種相變儲能材料既能滿足當今建筑節能的要求，又能滿足建筑環保和經濟性的發展需要［4］，是未來建筑材料的一個重要發展方向，具有廣闊的應用前景［5］。

目前常用的相變儲能材料主要包括無機物和有機物兩大類［6］。有機相變材料中，從熱物性、物理化學性和經濟性等方面進行考慮，石蠟已成為國內外儲能方面的研究熱點，具有相變潛熱高、無腐蝕性以及價格低廉等優良性能［7］。無機物中，如孔隙率非常高的膨脹珍珠巖，其孔隙具有很好的連通性，內部呈酸堿中性，與有機相變物質相容性好，而且顆粒級配合適。因此，本文選取多孔膨脹珍珠巖及石蠟制備復合相變材料［5］。

1 實驗部分

1.1 原材料

52號切片石蠟，其熔點為52℃～54℃。

膨脹珍珠巖：粒度為20目～40目。其主要組分含量為72% SiO2，18%Al2O3，3.7%K2O，3.9%Na2O及少量CaO，MgO等。物理性質：孔隙率，65%;飽和吸水率：380%;密度：192 kg/m3。

1.2 復合相變儲能材料的制備

膨脹珍珠巖為多孔物質，具有很強的親水性，在與石蠟復合過程中易吸水降低復合相變儲能材料的性能。故在使用之前需經過110℃，20 h的烘干處理，除去其中的水分。將石蠟與干燥的膨脹珍珠巖混合均勻倒入圓底燒杯，在真空下于80℃恒溫水浴中吸附2 h，使膨脹珍珠巖微孔充分吸附熔融的石蠟相變材料。最后，將圓底燒杯從恒溫水浴中取出，冷卻至室溫，即可得到石蠟/膨脹珍珠巖復合相變儲能材料［8］。

將石蠟相變材料與膨脹珍珠巖按不同質量比混合，結果如表1所示。由表1可知，當石蠟與膨脹珍珠巖的質量比小于3∶1時，復合材料保持原形，并沒有液體滲出，說明其最佳復合質量比為3∶1。

表1 石蠟與膨脹珍珠巖的不同質量比復合試驗

2 結果與討論

2.1 SEM分析

圖1a)和圖1c)(石蠟與膨脹珍珠巖質量比為3∶1)為膨脹珍珠巖吸附石蠟前后的SEM形貌。其中，圖1b)，圖1d)分別為圖1a)，圖1c)在高倍下的形態。石蠟的電導率較低，在掃描電子微觀結構之前要進行離子濺射噴金處理。由于石蠟對金敏感性較差，使得其在被膨脹珍珠巖吸附后的圖像呈現模糊狀態(見圖1c)，圖1d))。但可比較得出，吸附前，膨脹珍珠巖內部孔洞較多，呈現出無數蜂窩狀空腔結構，且孔徑不等;吸附后，膨脹珍珠巖表面發生了很大的變化，凹坑中布滿了相變材料，石蠟幾乎填充了其所有空隙，使多孔、疏松的膨脹珍珠巖成為了密實、厚重的顆粒。微孔中的充填物質經探針測試確定為石蠟，從而形成了有機/無機復合相變儲能材料。當石蠟發生固—液相變時，膨脹珍珠巖毛細管吸附力的束縛作用，使得液態石蠟難以從微孔中溢出，解決了相變材料的封裝問題，便于在建筑領域中的應用。

圖1 膨脹珍珠巖及復合相變儲能材料的SEM照片

2.2 DSC測試

由圖2石蠟融化的DSC可知，52號石蠟有兩個相變峰。其中，較明顯的吸熱峰位于50℃～60℃之間，初始相變溫度為49.1℃，結束時為55.9℃，峰值相變溫度位于52.6℃附近。另一個相變峰則不明顯，峰溫約為35℃。圖3為相變儲能材料的差熱曲線。從圖中可以看到，當石蠟與膨脹珍珠巖以質量比3∶1復合時，復合的相變顆粒熔點為24.9℃，且其相變溫度恰好處在人體最舒適溫度區間，可用作建筑儲能材料。從潛熱的角度來分析，石蠟的相變潛熱為167.4 J/g，而復合相變儲熱材料的相變潛熱為85.3 J/g，要低于單一石蠟的相變焓。造成這一現象的可能原因是由于膨脹珍珠巖顆粒的相變潛熱很小，使得兩種材料復合之后比單一石蠟的相變焓有所降低(為51%)，但石蠟相變材料單獨使用時液化易漏的難題可以得到解決。

圖2 石蠟相變材料的差熱曲線

圖3 復合相變儲能的差熱曲線

3 結語

本文選取多孔介質膨脹珍珠巖及石蠟制備復合相變儲能材料。通過石蠟相變材料與膨脹珍珠巖按不同質量比混合，得出當其質量比小于3∶1時，復合材料保持原形，并沒有液體滲出，即石蠟與膨脹珍珠巖最佳復合質量比為3∶1，解決了相變材料的封裝問題。SEM與DSC對復合顆粒進行研究發現，膨脹珍珠巖表面吸附相變材料后，空隙基本被石蠟所填充，成為了厚重的顆粒，且復合儲能材料比單一石蠟相變材料的相變焓有所降低。

［1］ 王小鵬，張 毅，沈振球，等.復配石蠟/膨脹珍珠巖相變顆粒的熱性能研究［J］.新型建筑材料，2011(4)：75-78.

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［8］ 李啟金，姜蔥蔥，李國忠.石膏基相變儲能材料的性能研究［J］.新型墻材，2011(11)：36-38.