相變儲能石膏基材料制備及性能研究

徐雷鳴

摘要：相變儲能石膏基材料，主要是以石膏為載體，癸酸和月桂酸二元混合酸為相變材料。文章采SEM、DSC-～iN試手段對儲能墻板的微孔形貌、熱性能特征進(jìn)行了測試，同時還測試了相變儲能石膏板的儲熱調(diào)溫性能和相變循環(huán)耐久性。

關(guān)鍵詞：相變儲能；石膏基材料；制備；性能

相變材料在發(fā)生相變過程中以吸收和釋放熱量的方式實現(xiàn)熱量的儲存和釋放。相變材料在多項工程中的應(yīng)用，可以使建筑物具有一定的儲熱能力，有助于建筑物內(nèi)部溫度的調(diào)控，滿足環(huán)保和低碳的要求。

1.相變儲能石膏基材料制備工藝的確定

1.1浸漬溫度的確定

本實驗浸漬環(huán)境為常壓，浸漬時間為10min，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(nèi)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(yōu)先選用70℃。

1.2浸漬時間的確定

根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)本實驗選取10min，30min，1h和2h四個時間，浸漬環(huán)境為常壓，浸漬溫度為70%。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30min-1h直線的斜率最大，1h-2h的斜率又下降了，所以可以判斷出浸漬時間為1h最好。出現(xiàn)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(fā)生泄漏。

1.3浸漬環(huán)境的確定

不論何種基體材料，負(fù)壓環(huán)境下的容留量約為常壓環(huán)境下的兩倍。因此，在條件允許的情況下宜選擇負(fù)壓浸漬環(huán)境。這是由于在負(fù)壓的環(huán)境下，石膏板內(nèi)部的孔為真空狀態(tài)更易吸入相變材料。綜合上述實驗結(jié)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(huán)境：負(fù)壓，浸漬時間：1h。

1.4儲熱調(diào)溫性能測試

制備兩個體積大小完全相同的圓柱形石膏試樣，成型時，在試樣中心位置預(yù)埋溫度傳感器；養(yǎng)護(hù)后，40℃下烘至絕干。將其中1個試樣浸滲至液態(tài)相變材料中，制備相變建筑石膏構(gòu)件。將2個預(yù)埋有溫度傳感器的石膏試樣放入17℃的恒溫環(huán)境中，待試樣溫度達(dá)到17℃后，再將試樣放置于35%的恒溫環(huán)境中，通過試樣中預(yù)埋的溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，得到試樣升溫控制曲線；測試畢，再將試樣從35℃恒溫環(huán)境中取出，放入17℃恒溫環(huán)境下，記錄試樣在降溫過程中的溫度變化，得到試樣降溫控制曲線。

1.5熱穩(wěn)定性分析

將制備的相變石膏板放入45℃干燥箱中加熱30min，其后再將其放置于10%環(huán)境下冷卻處理30min，即完成1次相變循環(huán)。每次循環(huán)均采用濾紙吸去滲出于石膏板表面的相變材料。如此反復(fù)進(jìn)行250次相變循環(huán)，根據(jù)相變材料的滲出情況表征相變石膏板的熱穩(wěn)定性。

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

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(dāng)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(jù)文獻(xiàn)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(jìn)行研究。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(jìn)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.相變儲能石膏基材料制備性能分析

3.1SEM分析

圖1所示為浸滲前后石膏板的SEM照片。從浸滲前的SEM照片可以看出，石膏晶體呈針狀，且互相搭接交錯。微觀條件下，可以明顯的看出石膏板內(nèi)存在著大量微米級孔結(jié)構(gòu)。浸滲后，相變材料可以有效填充于石膏板的微孔結(jié)構(gòu)中。

3.2滲出穩(wěn)定性分析

擴(kuò)散一滲出圈法測試原理是測試相變儲能材料滲出圈的平均直徑超出測試區(qū)域直徑的百分比，一般認(rèn)為擴(kuò)散一滲出圈百分比小于15%，即可認(rèn)為是穩(wěn)定的。隨著吸附量的增大，相變石膏板的滲出程度不斷增大。當(dāng)石膏板的吸附量約小于22%時，其滲出穩(wěn)定性較好。

3.3儲熱調(diào)溫性能分析

純石膏試樣的升溫速率明顯要大于相變石膏試樣的升溫速率，純石膏從17℃至35℃所需時間為14400s，即4h；相變石膏試樣所需時間為19463s，約5.4h，相變石膏試樣耗時要比純石膏試樣耗時長約1.4h。通過分析得知，純石膏試樣降溫速率與相變石膏試樣相比較快，僅需約6000s（約1.67h），就降溫至17℃，而相變石膏試樣直到14000s（約4h）后才降溫至預(yù)設(shè)溫度，整整延遲了約2.22h。相變石膏試樣在降溫過程中出現(xiàn)了輕微的過冷現(xiàn)象，但并不影響其使用。采用物理浸漬法制備相變儲能石膏材料可以提高單位體積石膏的潛熱儲熱量。當(dāng)溫度升溫至相變溫度點時，石膏孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的相變材料會發(fā)生固一液相變，利用其自身潛熱將部分熱量儲能起來，直到完成固一液相變后，溫度才得以繼續(xù)上升。溫度下降后，被儲存起來的潛熱又能夠重新釋放出來，對試樣溫度進(jìn)行補(bǔ)充。相變儲能石膏試樣良好的儲放熱性能能夠?qū)崿F(xiàn)熱量在時間和空間上的轉(zhuǎn)移，有效降低溫度的波動幅度，具有較好的控溫特性。

3.4DSG分析

相變儲能石膏板的相變溫度范圍為24.0-30.1℃，與相變材料相變溫度范圍23.7-29.6℃相差不大。相變材料的相變潛熱為137.9J/g，根據(jù)石膏基體和脂肪酸相變材料的質(zhì)量比5：1，得到相變儲能石膏板的理論潛熱為22.98J/g。實際測量值為22.5J/g，與理論值接近。因此，采用物理浸漬法制備相變儲能石膏板，脂肪酸相變材料的熱性能沒有受到影響。

3.5熱穩(wěn)定性分析

制備相變材料容留量為20%的相變石膏板，通過分析可知，隨著相變循環(huán)次數(shù)的增大，相變材料的滲出量逐漸增大。但250次相變循環(huán)后，相變石膏板質(zhì)量損失率僅為2.5%，石膏板表面無相變材料滲出的油膩感，說明浸滲法制備的相變儲能石膏板熱穩(wěn)定性良好，具有良好的相變循環(huán)耐久性。

4.結(jié)語

在相變儲能石膏基材料制備的過程中，文章采用物理浸漬法制備，對制備的相變儲能石膏板的滲出穩(wěn)定性、儲熱調(diào)溫特性以及相變循環(huán)使用耐久性進(jìn)行了測試和表征。相變材料可以有效填充于石膏板的微孔結(jié)構(gòu)中，幫助工程實現(xiàn)環(huán)保、低碳的要求。