建筑石膏基相變儲能材料的制備與分析★

黃 友 林

(1.重慶工商職業學院，重慶 400052； 2.重慶廣播電視大學，重慶 400052)

·建筑材料及應用·

建筑石膏基相變儲能材料的制備與分析★

黃 友 林1，2

(1.重慶工商職業學院，重慶 400052； 2.重慶廣播電視大學，重慶 400052)

以石膏為載體，癸酸和月桂酸二元混合酸為相變材料，通過實驗確定石膏基相變儲能材料的制備工藝，并詳細分析其容留量、滲出程度及熱物性能，得出了一些有價值的結論，以供參考借鑒。

石膏基，相變材料，容留量，滲出程度，熱物性能

0 引言

相變材料在發生相變過程中以吸收和釋放熱量的方式實現熱量的儲存和釋放。相變材料與建筑材料相結合，可以使建筑物具有一定的儲熱能力，有助于建筑物內部溫度的調控，滿足環保和低碳的要求。將相變材料引入石膏中，制備的石膏基相變材料具有一定的儲熱能力。然而，其制備的工藝條件對儲熱能力有著顯著的影響。因此，本文將通過實驗確定出石膏基癸酸—月桂酸二元相變材料的制備工藝，進而分析其容留量、滲出程度及熱物性能。

1 石膏基相變儲熱材料制備工藝的確定

本次實驗選用的復合相變材料為40%癸酸，60%月桂酸，基體材料為脫硫石膏板和普通紙面石膏板，采用浸漬法，對容留量指標進行分析，進而確定相關實驗條件。

1.1 浸漬溫度的確定

由于國內外很多學者對于固液相變材料的熱性能都給出了50 ℃和70 ℃兩個條件下的指標，所以在選擇實驗溫度時采用50 ℃和70 ℃兩個溫度。本實驗浸漬環境為常壓，浸漬時間為10 min。各實驗組合情況下的容留量如圖1所示。

從圖1可以看出，浸漬溫度對脫硫石膏板的容留量影響較大，70 ℃時的容留量是50 ℃時的3.4倍；浸漬溫度對普通紙面石膏板的容留量影響較小。從趨勢來看，浸漬溫度為70 ℃的容留量較50 ℃容留量大。由于70 ℃時溫度比較高，石膏板的表面吸附能比較大，相變材料的內部分子更為活躍，吸附量自然要大些。因此，在條件允許的情況下浸漬溫度宜優先選用70 ℃。

1.2 浸漬時間的確定

根據相關的文獻本實驗選取10 min，30 min，1 h和2 h四個時間，浸漬環境為常壓，浸漬溫度為70 ℃，各實驗組合情況下的容留量情況如圖2所示。從圖2可以看出，隨著浸漬時間的增加，容留量逐漸增大；但是增加的幅度不一樣大，在30 min～1 h直線的斜率最大，1 h～2 h的斜率又下降了，所以可以判斷出浸漬時間為1 h最好。出現這種狀況的原因可能是隨著浸漬時間的增加相變材料會發生泄漏。

1.3 浸漬環境的確定

由于在常壓和負壓條件下石膏板內的孔洞的壓強不一樣，其直接影響吸附相變材料的多少，故要確定浸漬環境。負壓的情況采用前述的真空吸入儀器實驗方法，各實驗組合情況下的容留量如圖3所示。

從圖3可以看出，不論何種基體材料，負壓環境下的容留量約為常壓環境下的兩倍。因此，在條件允許的情況下宜選擇負壓浸漬環境。這是由于在負壓的環境下，石膏板內部的孔為真空狀態更易吸入相變材料。

綜合上述實驗結果，確定制備石膏基相變儲熱材料的工藝條件：浸漬溫度：70 ℃，浸漬環境：負壓，浸漬時間：1 h。復合相變材料組分如表1所示。

表1 復合相變材料組分

2 石膏基相變儲熱材料的容留量分析

2.1 不同種類石膏基體和儲熱配方對容留量的影響

從圖4可以看出，基體材料對容留量的影響較大，普通紙面石膏板的容留量是脫硫石膏板的兩倍多；相變材料組分對容留量幾乎沒什么影響，當癸酸比例超過40%后，相變材料組分對容留量的影響不超過3%。由于脫硫石膏板更為密實得多，故普通紙面石膏板的容留量高得多。

2.2 表面活性劑對容留量的影響

根據文獻分析得知，本實驗選取PVA(其摻量為相變材料的10%)和硬脂酸鈉(摻量為2%)作為表面活性劑進行研究。容留量與表面活性劑種類的關系如圖5所示。

從圖5可以看出，表面分散劑可以提高材料的容留量，其中摻2%硬脂酸鈉的影響較10%PVA大。由于硬脂酸鈉是離子表面活性劑，與石膏板塊可以互相進行交換，而聚乙烯醇是非離子表面活性劑，因此硬脂酸鈉更多地附在石膏板表面，從而提高其容留量。

3 石膏基相變儲熱材料的滲出程度分析

本實驗采用的條件為：石膏板放到50 ℃的烘箱中以烘干16 h。

3.1 不同基體材料、不同組分二元體系與滲出程度的關系

從圖6可見，滲出程度跟基體材料的種類有關系，普通紙面石膏板要比脫硫石膏板的滲出程度大些，這是由于普通紙面石膏板內部的孔分散更為廣和疏松。而相變材料的組分對其幾乎都沒什么影響。

3.2 封裝材料與滲出程度關系

從圖7可以看出封裝對滲出程度的影響大，可以大幅度降低相變材料的滲出量，而同時對石膏板而言，環氧樹脂的封裝效果要比苯丙乳液的好。故在石膏板選擇封裝材料的時候應該選用環氧樹脂更為合適。

4 石膏基相變儲能材料的熱物性分析

將四個組分的脫硫石膏板做DSC測試，數據整理如表2所示。

表2 Ⅰ～Ⅳ組分復合石膏板的DSC結果

從表2可以看出復合石膏板的相變溫度和二元的相變材料體系的相變溫度相差不大，都在1 ℃以內。而相變焓變化較大，并且我們可以發現每個組分的相變潛熱基本上等于二元相變材料的吸熱量與相變材料在復合石膏板中的容留量之積，即基本等于二元相變材料的吸熱量與二元相變材料在復合石膏板中的質量百分比的乘積。

5 結語

1)以容留量為性能指標，確定了適合于石膏基相變儲能墻板制備的浸漬溫度為70 ℃、浸漬時間為1 h、浸漬環境為負壓。2)普通紙面石膏板的容留量優于脫硫石膏板。表面活性劑可以有效提高容留量，其中硬脂酸鈉的效果最好。3)普通紙面石膏板比脫硫石膏板的滲出程度大。采用環氧樹脂封裝可以明顯改善滲出程度。4)相變材料滲透進入石膏后，其相變溫度降低很小。復合石膏板的吸熱能力主要是由相變材料吸熱產生的，相變吸熱量大致等于復合石膏板中相變材料的容留量與單位質量相變材料吸熱量的乘積。

[1] 張寅平，胡漢平，孔祥東，等.相變儲能——理論和應用[M].合肥：中國科技大學出版社，1996.

[2] 張仁元.相變材料與相變儲能技術[M].北京:科學出版社，2009.

[3] 崔 娜，謝靜超.石膏基相變儲能構件的數值模擬分析[J].化工學報，2014(13)：89-90.

[4] 鄭立輝，宋光森，韋一良，等.石膏載體定性相變材料的制備及研究[J].新型建材,2006(3)：122-123.

Preparation and analysis of gypsum-based phase change energy storage materials in building★

Huang Youlin1，2

(1.ChongqingAppliedCollegeofTechnology&Business,Chongqing400052,China；2.ChongqingRadio&TVUniversity,Chongqing400052,China)

Taking gypsum as the carrier, and taking the binary mixed acid of caproleric acid and lauric acid as PCM, the paper determines the prefabrication technology of PCM with gypsum foundation, specifically analyzes its capacity, leakaging degree and thermophysical properties, and finally draws some valuable conclusions, with a view to provide some guidance.

gypsum foundation, Phase Change Material(PCM), capacity, leakage degree, thermophysical properties

2015-06-03★：重慶工商職業學院校級科研資助項目(項目編號：YB2013-31)

黃友林(1982- )，男，碩士，講師，工程師

1009-6825(2015)23-0102-02

TU521

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