十八烷膨脹珍珠巖定形相變材料封裝及隔熱性能

王偉，嚴捍東

（1 華僑大學材料科學與工程學院，福建 廈門 361021；2 華僑大學土木工程學院，福建 廈門 361021）

相變材料（phase change material， PCM）就是在發(fā)生相變過程中保持溫度不變而可以進行熱能存儲和釋放的物質(zhì)[1-2]。根據(jù)相變特點，相變材料主要分為固-氣相變材料、液-氣相變材料、固-液相變材料、固-固相變材料四大類[3-4]。固-液相變材料因其相變潛熱大，相變溫度范圍較適合建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫要求，成為研究的熱點，其中又以有機固-液相變材料研究較多，而無機固-液相變材料因其較大的過冷度和腐蝕性而較少研究[5-6]。Sar?等[7]通過真空吸附直接將木糖醇棕櫚酸酯（XPP）和木糖醇硬脂酸酯（XPS）注入石膏、水泥、硅藻土、珍珠巖和蛭石中制成了10種定形相變材料，熱循環(huán)實驗表明這些定形相變材料均具有較好熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。Karaipekli等[5]采用真空吸附法，以癸酸和肉豆蔻酸的低共融物為相變材料與膨脹蛭石復合制成定形相變材料，但高溫下只有20%癸酸-肉豆蔻酸低共融物保留在蛭石孔隙中沒有泄漏。張永娟等[8]研究了定形相變材料摻量對砂漿隔熱性能的影響，當相變材料摻量在1%～3%時，相變砂漿具有較明顯的隔熱保溫作用，但在50℃時相變材料會發(fā)生部分泄漏，隔熱性能將降低。

基于建筑節(jié)能的要求，近年來國內(nèi)對相變材料在建筑圍護結(jié)構(gòu)體系中的研究最為活躍[9-12]，已開發(fā)出可添加于石膏基、水泥基和有機基膠凝材料中的非定形或定形相變材料[13-16]，主要用于改善我國夏熱冬冷及其以北地區(qū)冬季圍護結(jié)構(gòu)保溫性能，但是基于提高我國南方夏熱冬暖地區(qū)建筑外墻隔熱性能為目的的相變材料的相關(guān)研究報道較少。目前應(yīng)用于水泥基中的定形相變材料均未進行表面封裝處理，在使用過程中將出現(xiàn)相變材料泄漏，而降低材料的整體性能。

本文選用相變溫度處于南方夏熱冬暖地區(qū)夏季外墻溫度變化范圍 26～36℃[17]的十八烷為相變材料，膨脹珍珠巖為支撐材料制備定形相變材料并經(jīng)表面封裝處理，在制備和封裝工藝對相變材料、定形相變材料和相變砂漿相關(guān)性能的影響方面進行了系統(tǒng)的測試和分析。

1 實 驗

1.1 原料和實驗儀器

1.1.1 原料

十八烷相變溫度較低，相變潛熱較大，過冷度小，無毒無腐蝕性。本文選用的十八烷[CH3—(CH2)16—CH3，簡寫C18H38]來自安耐吉化學，分析純，實測相變溫度27.28℃，相變焓249.6 kJ/kg。

膨脹珍珠巖是一種內(nèi)部呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)多孔材料，因其導熱系數(shù)很低[低于0.074W/(m?K)]，在建筑保溫砂漿中已有很多應(yīng)用。本文選取的膨脹珍珠巖來自信陽市上天梯萬卓珍珠巖保溫材料廠，導熱系數(shù)0.055W/(m·K)，堆積密度93kg/m3。

1.1.2 實驗儀器

智能數(shù)顯恒溫水浴鍋（上海貝倫儀器設(shè)備有限公司），SHB-3循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城科工貿(mào)有限公司），電子秤，燒杯，溫度計，F(xiàn)TIR-8400S紅外分光光度計（日本島津公司），DSC200F3差示掃描分析儀（德國耐馳公司），XL30環(huán)境掃描電鏡（Philips公司），砂漿攪拌機、BES-A建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測儀（哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院），烘箱，冰箱。

1.2 定形相變材料的制備與封裝工藝

（1）定形相變材料制備工藝 將膨脹珍珠巖過篩，選取的粒徑范圍是1.18～2.36mm，放入烘箱中80℃下保溫24h，取出后冷卻備用。將相變材料在恒溫水浴鍋中80℃下恒溫水浴1h后，加入多孔材料，繼續(xù)恒溫水浴2h后取出，用循環(huán)水式真空泵抽去表面黏附的相變材料，經(jīng)過熱水清洗，低溫24℃空調(diào)冷風干燥48h后，即得到定形相變材料，實測相變材料吸附率為 132%，即膨脹珍珠巖∶十八烷=1∶1.32（質(zhì)量比）。采用DSC、FT-IR、ESEM等測試儀器對相變材料和定形相變材料進行成分和結(jié)構(gòu)表征。

（2）定形相變材料封裝工藝 將制備好的定形相變材料浸入水中5min，表面潤濕后取出，與適量水泥粉充分混合攪拌，待水泥粉將定形相變材料表面完整、全部包裹后，室內(nèi)常溫靜置 24h，然后將封裝好的定形相變材料浸入（20±1）℃的水中養(yǎng)護24h，使定形相變材料表面包裹的水泥充分水化，形成較致密堅硬的水泥漿體薄層，繼續(xù)24℃空調(diào)冷風干燥 48h，除去水分。將封裝前后的定形相變材料用電子天平稱重后置于60℃烘箱中烘烤，每10h取出再用電子天平測試樣品質(zhì)量，以評估長時間高溫下十八烷在定形相變材料中的容留率。

1.3 相變砂漿隔熱性能測試方法

為評估所制備定形相變材料是否具有隔熱功能，本文設(shè)計了一套模擬太陽光照射外墻的測試裝置，以275W紅外線燈作為模擬熱源，以不同厚度面積為100mm×100mm的砂漿板作為模擬墻體。紅外燈底面與砂漿上表面的距離97cm，燈泡、光照路線及樣品均處在一個相對封閉的裝置中（圖1），整套裝置置于20℃空調(diào)室內(nèi)，以減少環(huán)境對測試結(jié)果的影響。基準砂漿材料配比為水泥∶砂∶水=1∶2∶0.567，相變砂漿以定形相變材料等質(zhì)量取代40%砂，砂漿板厚度分別為 A型 10mm和 B型15mm，經(jīng)標準養(yǎng)護（溫度20℃±1℃，相對濕度95%）7d，從水泥砂漿標準養(yǎng)護箱取出后24℃空調(diào)冷風干燥48h。

為評估封裝工藝是否能夠使得該定形相變材料在砂漿中能較長時間保持其隔熱性能，本文也測試了經(jīng)歷25次冷熱循環(huán)（0℃保持2h，60℃保持2h）后的相變砂漿板隔熱效果。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 定形相變材料的DSC測試結(jié)果與分析

采用差示掃描量熱儀 DSC測試了相變材料和定形相變材料相變溫度和相變焓等熱性能參數(shù)，測試溫度范圍為 0～60℃，升溫速率 3℃/m in，DSC圖譜如圖2和圖3所示。從圖2可以得出，所用十八烷的相變溫度為27.28℃，相變焓為249.6 kJ/kg。圖3所示為十八烷膨脹珍珠巖定形相變材料的DSC圖譜，發(fā)現(xiàn)相變溫度下降了近 2℃，相變焓下降了71 kJ/kg。這是由于定形相變材料中含有不具有相變蓄熱能力的膨脹珍珠巖，使其相變焓降低。

2.2 定形相變材料的FT-IR測試結(jié)果與分析

圖1 砂漿板隔熱性能測試裝置和儀器

圖2 十八烷DSC圖譜

圖3 十八烷膨脹珍珠巖定形相變材料DSC圖譜

圖4 樣品的紅外光圖譜

為了揭示十八烷與膨脹珍珠巖復合過程中是否發(fā)生了成分變化，分別對十八烷、膨脹珍珠巖、十八烷膨脹珍珠巖定形相變材料進行 FT-IR測試，F(xiàn)T-IR圖譜如圖4所示。由圖4可以看出，十八烷與膨脹珍珠巖復合的過程中沒有發(fā)生任何官能團變化，即沒有發(fā)生組成成分的變化。1#樣品膨脹珍珠巖，1050cm-1處的吸收峰由環(huán)狀Si—O基團的非對稱伸縮振動引起。2#樣品十八烷3000～2800cm-1處的吸收峰為—CH3的伸縮振動峰，1470 cm-1處的吸收峰為—CH2伸縮振動峰，720 cm-1處的吸收峰為—(CH2)n—的振動峰，3#樣品十八烷/膨脹珍珠巖完整包含了1#和2#樣品的振動峰，即膨脹珍珠巖中吸附的有且只有十八烷一種物質(zhì)，即為純物理吸附。

2.3 定形相變材料的ESEM測試結(jié)果與分析

圖5所示為原狀膨脹珍珠巖ESEM圖像，由圖中可以看出，膨脹珍珠巖內(nèi)部有很多不規(guī)則的開口孔隙，為液態(tài)相變材料的吸入提供了空間。圖6所示為十八烷膨脹珍珠巖定形相變材料ESEM圖像，圖中“星號”所標注的為相變材料，可以看出膨脹珍珠巖的部分孔道中已經(jīng)填充了固化后的相變材料。

圖5 原狀膨脹珍珠巖ESEM孔結(jié)構(gòu)形貌

圖6 十八烷膨脹珍珠巖定形相變材料ESEM結(jié)構(gòu)形貌

2.4 封裝前后相變材料的容留率

圖7是未封裝定形相變材料在空氣中長時間靜置后的照片，從圖中可以清晰地看見，絮狀的淺黃色有機物泄漏并粘附在膨脹珍珠巖的表面。圖8是封裝后的定形相變材料，同樣長時間在空氣中靜置未出現(xiàn)相變材料泄漏的現(xiàn)象。圖9是封裝后定形相變材料的剖面圖，可以看見膨脹珍珠巖的外表面被水泥漿體完全包裹。圖10是對未封裝定形相變材料和封裝定形相變材料在60℃烘箱中進行相變材料容留率測試結(jié)果。由圖10可以看出，經(jīng)過20h的高溫后，未封裝定形相變材料容留率下降到了 75%，如繼續(xù)高溫烘烤，相變材料仍舊會發(fā)生泄漏，但是泄漏的量在減少，即膨脹珍珠巖中的毛細孔隙，特別是較微小的孔隙在一定程度上還是可以阻止相變材料大量泄漏；封裝后的定形相變材料高溫后容留率在97%以上，說明膨脹珍珠巖表面濕裹水泥粉并經(jīng)適當水養(yǎng)護所形成的包裹層可以有效地對其進行封裝。

2.5 相變砂漿隔熱性能測試結(jié)果與分析

圖11為10mm厚度砂漿板的隔熱性能對比圖，由圖11中可以看出，摻有相變材料的砂漿板下表面溫度升高到26℃的時間比空白砂漿板延遲了230s，并且兩板下表面間的最大溫差可以達到 4.2℃。圖12為15mm砂漿板的隔熱性能對比圖，從圖12中可以看出，升高到26℃時，相變砂漿板的下表面時間延遲可以達到500s，而最大溫差可以達到6.2℃，結(jié)果表明，相變砂漿板有很好的隔熱作用。且相變砂漿板的厚度增加5mm，相變材料對時間的延遲效應(yīng)增加約2倍，最大溫差也增加了50%，這可能是由于熱量從砂漿板上表面?zhèn)鲗У较卤砻鏁r間延長，相應(yīng)地沿熱傳導途徑（即沿砂漿板厚度方向）分布的相變材料達到相變溫度的時間也延遲。

圖13是10mm厚度砂漿板經(jīng)過25次冷熱循環(huán)后的隔熱效果對比圖，對溫度的延遲作用降低到了100s，而最大溫差也只有2℃。圖14是15mm厚度砂漿板經(jīng)過25次冷熱循環(huán)后的隔熱效果圖，從圖中可以看出，相變砂漿板對時間的延遲仍然有 360s，最大溫差仍可以達到4.3℃。結(jié)果表明，經(jīng)過25次冷熱循環(huán)之后，15mm厚度相變砂漿板仍然具有很好的隔熱性能。這說明隨著使用時間的延長，環(huán)境溫度反復升降確實會引起相變砂漿隔熱效果產(chǎn)生不同程度的損失，在定形相變材料摻量一定時，砂漿厚度增大可以使其在更長使用時間內(nèi)保持較好的隔熱性能。

圖7 未封裝定形相變材

圖8 封裝后定形相變材料

圖9 封裝后定形相變材料的剖面圖

圖10 封裝前后相變材料的容留率

圖11 厚度10mm砂漿板溫度曲線對比圖

圖12 厚度15mm砂漿板溫度曲線對比圖

圖13 經(jīng)25次冷熱循環(huán)后10mm厚砂漿板溫度曲線對比圖

圖14 經(jīng)25次冷熱循環(huán)后15mm厚砂漿板溫度對比圖

3 結(jié) 論

（1）以十八烷為相變材料，膨脹珍珠巖為支撐材料，采用浸泡吸附工藝可以制備定形相變材料，但吸附于膨脹珍珠巖孔隙中的十八烷相變溫度和相變焓會有所降低。

（2）采用濕膨脹珍珠巖顆粒裹水泥干粉并經(jīng)水養(yǎng)護所形成的水泥漿體層可以有效地對定形相變材料進行封裝，封裝前后十八烷在膨脹珍珠巖中的容留率由75%提高到97%以上，達到減少其在水泥基質(zhì)中使用時相變材料融化泄漏的效果。

（3）摻加封裝后定形相變材料砂漿在其相變點可以起到延遲溫度升高的隔熱效果，與基準砂漿板相比，10mm和15mm厚度砂漿板下表面時間延遲和最大溫差分別為230s、4.2℃和500s、6.2℃。

（4）在定形相變材料摻量一定時，隔熱效果隨砂漿板厚度提高而增大，且在實驗室模擬冷熱循環(huán)作用下仍能保持較好的隔熱效果，經(jīng)歷25次冷熱循環(huán)的相變砂漿，15mm厚度砂漿板下表面時間延遲仍有360s，最大溫差4.3℃。

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