相變陶瓷板調(diào)溫性能的研究

黎濤，于亮，范玉容，王毅

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所 ，廣州 510640；2.廣東東鵬陶瓷股份有限公司，佛山 528000）

研究與探討

相變陶瓷板調(diào)溫性能的研究

黎濤1，于亮1，范玉容2，王毅2

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所 ，廣州 510640；2.廣東東鵬陶瓷股份有限公司，佛山 528000）

本文以石蠟為芯材，水性環(huán)氧樹脂為壁材，通過化學(xué)聚合法制備含有相變材料的膠囊。將制成的相變膠囊填入空心陶瓷板內(nèi)的夾層。分別測(cè)試摻入相變膠囊的的陶瓷板和未摻相變膠囊的陶瓷板在升溫和降溫過程中的溫度變化情況。實(shí)驗(yàn)表明，在陶瓷板中摻入相變膠囊可以起到調(diào)節(jié)溫度的作用。在相變膠囊吸熱過程中，調(diào)溫效果最大可達(dá)3.7℃；放熱過程中，調(diào)溫效果最大可達(dá)3℃。在建筑材料中加入相變材料可以起到減少制冷或采暖設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間的作用，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

建筑節(jié)能；相變材料；石蠟；水性環(huán)氧樹脂；相變膠囊；陶瓷

1 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)房間的舒適度要求提高，建筑能耗占社會(huì)總能耗的比例不斷攀升，建筑節(jié)能技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和重視。相變材料在溫差驅(qū)動(dòng)的前提條件下發(fā)生物相變化，相變過程中從外界吸收熱量或放出熱量，以此獲得或釋放潛熱，過程中不需要消耗外界動(dòng)力能耗。相變規(guī)律可應(yīng)用于建筑材料中，通過相變的參與調(diào)解夏天高溫時(shí)期溫度，減小空調(diào)能耗，是建筑節(jié)能的一項(xiàng)重要措施[1,2]。

石蠟是公認(rèn)比較合適的相變材料。石蠟是很多碳?xì)浠衔锏幕旌象w，作為一種相變材料具有相變潛熱高、過冷度低、熔化時(shí)蒸汽壓力低、化學(xué)穩(wěn)定性較好、自成核、沒有相分離、無腐蝕性、成本較低等優(yōu)點(diǎn)[3]。石蠟的相變溫度與分子量分布有關(guān)，可通過調(diào)整工藝生產(chǎn)條件來實(shí)現(xiàn)。石蠟直接與建材摻混會(huì)滲漏、溢出從而造成建筑結(jié)構(gòu)破壞和有效成份降解、變質(zhì)。采用膠囊化技術(shù)將石蠟封閉于膠囊之中，可以有效解決上述問題[4-9]，其中，比較多的是酚醛樹脂、脲醛樹脂為膠囊壁材。本文開發(fā)一種新型環(huán)保型的環(huán)氧樹脂相變膠囊，將相變膠囊與陶瓷板結(jié)合，制備了具有相變儲(chǔ)能功能的相變陶瓷板，并測(cè)試了相變陶瓷板調(diào)溫性能，研究了相變材料在陶瓷中的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 相變膠囊的制備方法

本文采用石蠟作為相變材料，采用化學(xué)聚合法，通過固化劑，使水性環(huán)氧樹脂在石蠟表面聚合、固化，最終形成高分子膠膜，與內(nèi)部石蠟構(gòu)成殼-核結(jié)構(gòu)。具體做法是：將不同成份的石蠟與添加劑混合，配制為相變溫度為25～30℃的相變材料；再將相變材料凝固成固態(tài)顆粒；然后將固態(tài)的相變材料顆粒與一定量的水性環(huán)氧樹脂攪拌，使環(huán)氧樹脂充分潤濕石蠟顆粒表面；再加入一定量的交聯(lián)劑固化劑并攪拌，靜置一定時(shí)間，使環(huán)氧樹脂聚合并固化，制備成相變膠囊。

2.2 相變陶瓷板的制備方法

將規(guī)格為400 mm×400 mm×3 mm的陶瓷板背面鑲嵌瓷條框架，將相變膠囊填裝于框架內(nèi)，相變膠囊重量為陶瓷板的15%，然后扣上石膏板底蓋，用鎂氧水泥粘合，制成相變陶瓷板。以若干塊相變陶瓷板拼接成一間4.096 m3的測(cè)試屋，以H1表示，為本研究提供測(cè)試實(shí)體。同時(shí)還制備一個(gè)同樣規(guī)格的但無相變膠囊的對(duì)比測(cè)試屋，以H0表示。

2.3 相變材料的DSC測(cè)試

相變材料的相變溫度和相變潛熱采用德國NETZSCH公司DSC 204F1差示掃描量熱儀進(jìn)行測(cè)試，試樣質(zhì)量為9.31 mg，以5.0℃·min-1升溫速率，從-30℃升至55℃，測(cè)試過程在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行。

2.4 溫度調(diào)節(jié)效果測(cè)試

采用英國PICO公司生產(chǎn)的TC-08熱電偶數(shù)據(jù)記錄儀采集并記錄，以T型熱電偶作為溫度傳感器，每分鐘測(cè)量一次，記錄H1、H0內(nèi)部的溫度變化情況。首先，將環(huán)境溫度調(diào)至低于相變溫度20℃，保持3 h，使相變材料處于固體狀態(tài)；然后逐步升溫，使環(huán)境溫度達(dá)到35℃，在此過程觀察H1、H0內(nèi)部溫度變化過程。

表1 部分石蠟類物質(zhì)熱物性[3]

圖1 相變材料的DSC曲線

3 結(jié)果分析與討論

3.1 相變材料的DSC分析

石蠟類物質(zhì)是最為普遍的相變材料，由直鏈烷烴混合而成，可用通式CnH2n+2表示。石蠟類物質(zhì)具有相變點(diǎn)可調(diào)、相變潛熱高、性能穩(wěn)定、無毒無腐蝕、價(jià)格便宜、無過冷或析出現(xiàn)象等特點(diǎn)，適合作為相變材料。表1列出了其中部分石蠟類物質(zhì)的熔點(diǎn)，相變焓，導(dǎo)熱系數(shù)和密度[10]。通過改變各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以調(diào)節(jié)相變材料的相變溫度和相變潛熱。圖1為相變材料的DSC曲線。

由圖1可以得到，本研究配制的相變材料，相變的起始溫度為25.4℃，相變的中止溫度為30.8℃，相變的峰值出現(xiàn)在29.1℃，相變材料的轉(zhuǎn)變熱焓為178 J/g。

3.2 相變材料對(duì)溫度調(diào)節(jié)的作用

3.2.1 相變材料吸熱過程的調(diào)溫度作用

隨著溫度升高至相變材料的相變溫度，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，在相變過程中吸收大量能量。本文通過測(cè)量樣品在升溫過程中溫度的變化情況，考察相變材料吸熱過程中的調(diào)溫作用。相變陶瓷板和普通陶瓷板在升溫過程中的溫度變化情況如圖2所示，其中A、B、C、D分別表示初始時(shí)刻、相變開始時(shí)刻，相變結(jié)束時(shí)刻和測(cè)量結(jié)束時(shí)刻相變陶瓷板H1的溫度，B`、C`、D`分別表示與B、C、D同一時(shí)刻普通陶瓷板H0的溫度。相變陶瓷板與普通陶瓷板的溫度變化曲線呈現(xiàn)出明顯差別。兩個(gè)樣品的初始狀態(tài)如圖2中A點(diǎn)所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度，兩個(gè)樣品的初始狀態(tài)溫度都為20.0℃。由初始狀態(tài)A點(diǎn)開始，相變陶瓷板H1的溫度沿AB段變化，H0的溫度沿AB`段變化。經(jīng)過25 min后，H1的狀態(tài)到達(dá)了B點(diǎn)，此時(shí)的溫度為27.3℃。B`點(diǎn)表示與B點(diǎn)同一時(shí)刻，普通陶瓷板H0的狀態(tài)，B`點(diǎn)溫度為28.0℃。在達(dá)到B點(diǎn)后，相變材料進(jìn)入相變過程，相變開始溫度為27.3℃，相變石膏板溫度沿BC段變化，在第76 min到達(dá)C點(diǎn)，相變過程結(jié)束，相變結(jié)束溫度為29.3℃。同時(shí)，普通陶瓷板H0的溫度沿B`C`段變化，在第76 min到達(dá)C`點(diǎn)，溫度為33.0℃。相變材料結(jié)束相變后，相變陶瓷板H1的溫度沿CD段變化，在第165 min測(cè)量結(jié)束時(shí)，溫度為30.0℃。對(duì)比的普通陶瓷板H0在測(cè)量結(jié)束時(shí)，溫度為33.2℃。

比較相變陶瓷板H1與普通陶瓷板H0溫度變化曲線，在AB段和AB`段，雖然此時(shí)，相變材料未發(fā)生相變，但是由于相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量由板外壁傳導(dǎo)至內(nèi)部較慢，H1升溫速率小于H0，經(jīng)過相同的時(shí)間，H1溫度低于H0。BC段和B`C`段，兩個(gè)樣品的溫度變化趨勢(shì)明顯不同。相變材料在B點(diǎn)開始發(fā)生相變，至C點(diǎn)相變結(jié)束，持續(xù)了約51 min，此過程中相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，相變材料需要吸收大量的潛熱，H1溫度由27.3℃升至29.3℃，溫度上升僅為2℃。與此同時(shí)，H0由28.0℃升溫至33.0℃，溫度上升5℃。兩個(gè)樣品最大的溫差出現(xiàn)在相變結(jié)束的時(shí)刻，即C點(diǎn)和C`點(diǎn)，溫差達(dá)到了3.7℃。以上數(shù)據(jù)表明，相變材料的加入可以有效的調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，這種調(diào)溫效果在相變材料吸熱過程中最大可以達(dá)到3.7℃。相變陶瓷板的溫度低于環(huán)境溫度，根據(jù)傳熱學(xué)原理，能量通過對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射的方式在實(shí)驗(yàn)樣品與環(huán)境間傳遞，由于相變陶瓷板中相變材料已全部轉(zhuǎn)化為液態(tài)，相變過程結(jié)束，樣品吸收的環(huán)境中的能量全部貢獻(xiàn)給樣品溫度的上升，直至樣品與環(huán)境熱量交換達(dá)到平衡。

圖2 升溫過程中樣品內(nèi)部溫度變化曲線

3.2.2 相變材料放熱過程的調(diào)溫度作用

相變材料在放熱過程同樣表現(xiàn)出對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用。如圖3所示，其中E、F、G、H分別表示初始時(shí)刻、相變開始時(shí)刻，相變結(jié)束時(shí)刻和測(cè)量結(jié)束時(shí)刻相變陶瓷板H1的溫度，F(xiàn)`、G`、H`分別表示與F、G、H同一時(shí)刻普通陶瓷板H0的溫度。H1在降溫17分鐘后到達(dá)F點(diǎn)，溫度為25.7℃，同一時(shí)刻，H0溫度為24.4℃。在相變開始前，H1溫度變化的幅度小于H0，原因是相變膠囊導(dǎo)熱系數(shù)低于陶瓷，加入了相變膠囊的陶瓷板傳熱能力相對(duì)較弱。FG段曲線體現(xiàn)出了相變陶瓷板在相變材料發(fā)生相變時(shí)H1溫度變化情況，由于發(fā)生相變，相變材料放出潛熱，相變陶瓷板在此期間溫度降低僅為2.3℃，與同一時(shí)間范圍內(nèi)普通陶瓷板溫度變化相比具有顯著的差別，普通陶瓷板溫度H0沿F`G`段曲線變化，由24.4℃降低到20.4℃，溫度下降幅度為4℃。相變陶瓷板與普通陶瓷板最大溫差出現(xiàn)在相變材料相變結(jié)束時(shí)，此時(shí)溫差為3℃，這表明在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，相變材料的調(diào)溫效果在材料放熱過程中最大可以達(dá)到3℃。

圖3 降溫過程中樣品內(nèi)部溫度變化曲線

4 結(jié)論

本文通過化學(xué)聚合法，采用水性環(huán)氧樹脂為壁材，包覆石蠟類相變材料，制備殼-核結(jié)構(gòu)膠囊。在脫硫石膏板中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的相變材料膠囊，制成相變陶瓷板。相變材料在相變過程中吸收和放出熱量，從而可以起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的作用。在本實(shí)驗(yàn)條件下，相變材料在吸熱過程中，調(diào)溫效果最大可達(dá)3.7℃；放熱過程中，最大調(diào)溫效果可達(dá)3℃。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過選擇合適的相變材料，改變相變材料的質(zhì)量和相變溫度，使室內(nèi)溫度在一定時(shí)間內(nèi)維持在人體感覺舒適的溫度范圍，從而減少制冷設(shè)備的能耗，達(dá)到節(jié)能的效果。

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Temperature Adjustment Performance of PCM Ceramics

LI Tao1，YU Liang1，F(xiàn)AN Yu-rong2,WANG Yi2
(1.GuangZhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,GuangZhou 510640; 2.Guangdong Dongpeng Ceramics Co.Ltd,FoShan 528000.)

Encapsulated phase change materials （PCM）which paraffin and waterborne epoxy resin were employed as the core material and the shell material respectively were fabricated by chemical polymerization.Ceramics board containing PCM capsule was made and became the tested object.This investigation indicates that the PCM mixed in the ceramics board can retard the temperature rising.In the process of absorbing heat,the effect of thermoregulation can be up to 3.7℃;in exothermic process,the effect of thermoregulation can be up to 3℃. Adding PCM in the building materials can reduce the running time of the heating and cooling equipment so that the energy consumption can be reduced.

building energy conversation；phase change materials；paraffin；waterborne epoxy resin；PCM capsule；ceramics

廣東省中國科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作項(xiàng)目（2012B091100275）。

黎濤（1969.10-），女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事先進(jìn)建筑節(jié)能產(chǎn)品開發(fā)。