石膏基復(fù)合相變材料熱濕參數(shù)的實(shí)驗(yàn)

尚建麗，張　浩，熊　磊，麻向龍

(西安建筑科技大學(xué) 材料與礦資學(xué)院，西安 710055)

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石膏基復(fù)合相變材料熱濕參數(shù)的實(shí)驗(yàn)

尚建麗，張浩，熊磊，麻向龍

(西安建筑科技大學(xué) 材料與礦資學(xué)院，西安 710055)

研究了相變微膠囊摻入建筑石膏制備石膏基復(fù)合相變材料的熱濕性能。通過飽和鹽溶液、傳熱傳濕模擬試驗(yàn)、等效導(dǎo)熱測試等方法對石膏基復(fù)合相變材料進(jìn)行性能測試，并且采用微積分和數(shù)學(xué)擬合方法對測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，石膏基復(fù)合相變材料具有良好的儲熱含濕性能，研究首次提出石膏基復(fù)合相變材料的表面質(zhì)交換系數(shù)、濕擴(kuò)散系數(shù)、相變因子等重要參數(shù)，為石膏基復(fù)合相變材料的節(jié)能效果計(jì)算提供重要依據(jù)。

相變微膠囊；石膏基復(fù)合相變材料；耦合模擬；熱濕參數(shù)；相變因子

0　引　言

隨著人們對室內(nèi)生活環(huán)境的要求不斷提高，如何有效地解決“舒適度、節(jié)能、環(huán)保”之間保持合理平衡的問題，已經(jīng)成為當(dāng)今建筑節(jié)能研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。因此，人們開發(fā)研制了許多建筑節(jié)能技術(shù)，其中調(diào)溫相變建筑材料與調(diào)濕多孔建筑材料的研究已成為關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。從建筑材料對節(jié)能貢獻(xiàn)方面考慮，這一研究不僅可以緩解建筑物能量供求在時(shí)間和強(qiáng)度上不匹配的矛盾，降低建筑能耗，改善室內(nèi)環(huán)境，同時(shí)還可以有效地儲存、利用太陽能等低成本清潔型能源，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙贏，為實(shí)現(xiàn)建筑綠色化可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。雖然利用調(diào)溫相變建筑材料與調(diào)濕多孔建筑材料改進(jìn)室內(nèi)環(huán)境溫度和相對濕度的研究已經(jīng)取得一定成果。但是研究成果多局限于“溫”和“濕”單方面的成果，如相變砂漿及混凝土[2-3]、吸放濕樓板[4]及調(diào)濕海泡石[5]的開發(fā)。更重要的是缺少系統(tǒng)研究“溫、濕”耦合材料的熱濕性能參數(shù)，導(dǎo)致新材料的開發(fā)及建筑墻體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶有一定的盲目性，不利于從根本上實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。

鑒于此，本文基于課題組已獲得的試驗(yàn)成果，即具有制備調(diào)溫調(diào)濕性能的相變微膠囊技術(shù)[6-7]，制備石膏基復(fù)合相變材料。通過實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，借鑒國內(nèi)外學(xué)者對材料傳熱、傳濕性能參數(shù)的相關(guān)研究成果[8-9]。首次計(jì)算出石膏基復(fù)合相變材料的若干熱濕參數(shù)，包括表面質(zhì)交換系數(shù)、濕擴(kuò)散系數(shù)、相變因子等，以及首次提出評價(jià)復(fù)合材料相變儲能性能的相變因子。豐富墻體多場耦合傳遞理論的內(nèi)涵，為墻體節(jié)能設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)依據(jù)，為建筑節(jié)能效果計(jì)算提供技術(shù)支持。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1主要原料

實(shí)驗(yàn)原材料包括自研制的相變微膠囊和購置的建筑石膏。其中相變微膠囊是以石蠟作為芯材、高吸油樹脂聚丙烯酸酯作為內(nèi)殼、高吸水樹脂聚丙烯酸鈉作為外殼、殼核比為1∶2的雙殼相變微膠囊。

1.1.1相變微膠囊性能測試

根據(jù)已獲得的相變微膠囊測試結(jié)果可知[10]，相變微囊的形貌較好、結(jié)構(gòu)規(guī)整并且呈現(xiàn)較好的球體；相變微囊的表面光滑形狀規(guī)則，致密且無明顯缺陷。相變膠囊的相變溫度為30.11 ℃，相變焓為67.77kJ/kg，說明相變膠囊在室溫條件下具有較好的儲放熱能力。相變膠囊外殼的化合物是聚丙烯酸鈉，并且較好的將以聚丙烯酸酯為內(nèi)殼和石蠟為芯材的相變膠囊進(jìn)行包覆。

1.1.2建筑石膏性能測試

將石膏以0.5∶1的水膏比進(jìn)行成型(300mm×300mm×40mm)，成型后的石膏硬化體進(jìn)行一系列性能測試。測得其表觀密度為1 180kg/m3、孔隙率為54.8%和導(dǎo)熱系數(shù)0.2955W/(m·K)，說明石膏以0.5∶1的水膏比進(jìn)行成型具有較強(qiáng)的吸附能力和一定的保溫性能。

1.2實(shí)驗(yàn)主要儀器

精度為0.0001g精密電子天平、101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱、JTRG-Ⅲ型建筑材料熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀、JY-800HK型調(diào)溫調(diào)濕箱、QUAN-TA200型掃描電鏡、DSCQ1000V9.0型熱分析儀。

1.3石膏基復(fù)合相變材料的制備

以建筑石膏作為基體材料，將自制的相變微膠囊按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻入石膏基體材料中，以水膏比為0.5∶1攪拌均勻形成石膏基復(fù)合相變材料，見圖1所示。

圖1　石膏基復(fù)合相變材料的SEM照片

Fig1SEMimageofgypsum-basedcompositephasechangematerial

從圖1可知，石膏基復(fù)合相變材料中明顯存在相變微膠囊均勻填充于建筑石膏的細(xì)小孔隙中，使石膏基復(fù)合相變材料的結(jié)構(gòu)更加致密。未發(fā)生團(tuán)聚，說明相變微膠囊適合用于建筑材料中。

1.4實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1試件尺寸

考慮到石膏基復(fù)合相變材料應(yīng)用于建筑墻體， 根據(jù)位置、測試方法不同，對應(yīng)的濕性能參數(shù)測試試件尺寸也不同。用于平衡含濕量、吸放濕速率、表面質(zhì)交換系數(shù)的測試試件尺寸為40mm×40mm×20mm，用于溫度梯度系數(shù)和濕擴(kuò)散系數(shù)的測試試件尺寸為?70mm×10mm。

1.4.2濕性能參數(shù)測試方法

首先將試件置于真空干燥箱中進(jìn)行干燥，試件完全干燥的標(biāo)準(zhǔn)為試件間隔24h的2次稱量質(zhì)量差<0.1%[11]。將干燥后的試件放到標(biāo)準(zhǔn)飽和鹽溶液上方，定時(shí)測定各相對濕度下試件的質(zhì)量，直到試件間隔24h的2次稱量質(zhì)量差<0.1%，則認(rèn)為試件吸濕達(dá)到平衡，依據(jù)平衡含濕量式(1)計(jì)算平衡含濕量

(1)

式中，Wems為試件平衡含濕量，kg/m3；md為干燥狀態(tài)下試件的質(zhì)量，kg；mw為吸濕后的試件質(zhì)量，kg；Vd為試件的體積，m3。

將干燥后的試件分別置于相對濕度為(97.3±0.45)%的環(huán)境中吸濕飽和后置于相對濕度為(32.78±0.16)%的環(huán)境中進(jìn)行放濕，反之進(jìn)行吸濕。利用數(shù)學(xué)軟件，將吸放濕過程中的質(zhì)量變化與時(shí)間進(jìn)行擬合，獲得試件的吸放濕速率。

1.4.3模擬方法

為獲得試件的溫度梯度系數(shù)和濕擴(kuò)散系數(shù)，不僅需要考慮相對濕度的影響效果，還需要考慮溫度的影響效果，所以實(shí)驗(yàn)采用調(diào)溫調(diào)濕箱。以等溫(內(nèi)外溫度為30 ℃)及非等溫(內(nèi)溫度為70 ℃、外溫度為30 ℃)條件為基準(zhǔn)，將調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi)溫度和相對濕度按照實(shí)際應(yīng)用設(shè)定，并且安置溫度、濕度傳感器進(jìn)行測定，其模擬裝置如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.4.4導(dǎo)熱系數(shù)

以建筑石膏作為主體材料，其尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，石膏基復(fù)合相變材料作為附著材料，其尺寸為300 mm×300 mm×1 mm，涂覆在主體材料表面形成復(fù)合體。采用JTRG-III建筑材料熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀，冷、熱板溫度分別設(shè)定為10和40 ℃，經(jīng)過一定時(shí)間，冷、熱板溫度穩(wěn)定，讀取試件導(dǎo)熱系數(shù)值。

1.4.5等效比熱容

采用DSCQ1000V9.0型熱分析儀對樣品進(jìn)行分析，得出其熱流與溫度的關(guān)系曲線，可知石膏基復(fù)合相變材料的熱流曲線、相變半徑及相變焓。

1.4.6對流換熱系數(shù)

將完全干燥后的試件(40 mm×40 mm×20 mm)分別置于相對濕度為(97.3±0.45)%和(32.78±0.16)%的環(huán)境中進(jìn)行放濕和吸濕，利用數(shù)學(xué)軟件，將吸放濕過程中的質(zhì)量變化與時(shí)間進(jìn)行擬合，獲得試件的吸放濕速率，然后計(jì)算試件的對流換熱系數(shù)。

1.4.7相變因子

采用DSCQ1000V9.0型熱分析儀對樣品進(jìn)行分析，得出其熱流與溫度的關(guān)系曲線，可知石膏基復(fù)合相變材料的相變焓和相變微膠囊的相變焓。

2　結(jié)果與討論

2.1石膏基復(fù)合相變材料的濕性能參數(shù)

2.1.1平衡含濕量

平衡含濕量是表征材料吸、放濕能力的基本物理量。由表1可知，對比于建筑石膏，石膏基復(fù)合相變材料在不同相對濕度下的平衡含濕量明顯增大。這是因?yàn)橐环矫媸嗷鶑?fù)合相變材料中的相變微膠囊，其外殼是高吸水樹脂聚丙烯酸鈉具有高分子親水官能團(tuán)，對水分子具有較強(qiáng)的吸濕性能；另一方面相變微膠囊的摻入使內(nèi)部氣泡來不及從漿體表面排出，導(dǎo)致石膏基復(fù)合相變材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中孔隙增多，吸濕能力增強(qiáng)。

表1　平衡含濕量

2.1.2吸放濕速率

吸放濕速率是表示材料吸放量與隨時(shí)間變化的規(guī)律。測得石膏基復(fù)合相變材料的吸放濕速率曲線見圖3；利用Origin軟件對其進(jìn)行擬合，擬合方程式(2)為吸濕和式(3)為放濕。并且根據(jù)式(2)和(3)，得吸放濕速率的變化規(guī)律式(4)

m(t)=13.3309-1.4638exp(-0.0637t)

(2)

m(t)=12.0902+1.5570exp(-0.1853t)

(3)

(4)

圖3　吸放濕速率曲線

2.1.3表面質(zhì)交換系數(shù)

表面質(zhì)交換系數(shù)表征多孔材料表面吸放濕能力的重要物理參數(shù)。根據(jù)Lewis方程以及Thomas和Burch方程[12]，在忽略材料中濕遷移阻力情況下，可近似的得到式(5)

(5)

對式(4)進(jìn)行兩邊求導(dǎo)并除以試件面積，得

(6)

將式(5)與(6)相結(jié)合，使用編程和替換的方法對式(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算表面質(zhì)交換系數(shù)為0.0078m/s(吸濕)和0.0097m/s(放濕)。

2.1.4溫度梯度系數(shù)

溫度梯度系數(shù)是反應(yīng)濕分在溫度梯度下濕傳遞情況的參數(shù)。等溫和非等溫情況下，石膏基復(fù)合相變材料的不同厚度下溫度、相對濕度分布，見圖4，5和6。根據(jù)對試件達(dá)到溫、濕度穩(wěn)定后水分增加量為25.0g(等溫)和79.0g(非等溫)，按照式(7)[13]可計(jì)算濕流密度為3.58×10-3g/(m2·s)(等溫)和11.3×10-3g/(m2·s)(非等溫)

(7)

式中，Δm為質(zhì)量變化，g；Δt為時(shí)間，s；Δm/Δt為直線的斜率，即濕流量，g/s；A為試件面積，m2；j為濕流密度，g/(m2·s)。

圖4　溫度分布(非等溫)

圖5　相對濕度分布

根據(jù)圖5中相對濕度，通過式(8)[14]可計(jì)算出試件不同厚度的水蒸氣含量，見圖6所示

(8)

式中，φ為相對濕度；v為水蒸氣含量，kg/m3；ps為飽和濕空氣中水蒸氣分壓，Pa；ρa(bǔ)ir為空氣密度，kg/m3；p為環(huán)境壓力，一般取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa。

對等溫和非等溫情況下，水蒸氣含量分布擬合，得到曲線斜率，即

代入式(9)[15]。可計(jì)算溫度梯度系數(shù)為0.00048kg/(m3·K)

(9)

式中，下角標(biāo)t表示非等溫情況，下角標(biāo)i表示等溫情況，ε為溫度梯度系數(shù)，kg/(m3·K)，j為濕流，g/(m2·s)；dT/dx為溫度梯度，dv/dx為水蒸氣含量梯度。

圖6水蒸氣含量分布

Fig 6 Distribution of water vapour content

2.1.5濕擴(kuò)散系數(shù)

濕擴(kuò)散系數(shù)是反應(yīng)濕分在水蒸氣含量梯度下傳遞情況的參數(shù)。根據(jù)式(9)得出試件的濕流密度為3.58×10-3g/(m2·s)(等溫)，同時(shí)依據(jù)圖6得出

代入式(10)[16]。計(jì)算濕擴(kuò)散系數(shù)為10.40×10-6m2/s

(10)

式中，下角標(biāo)i表示等溫情況；j為濕流，g/(m2·s)；δ為濕擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；dv/dx為水蒸氣含量梯度。

2.2石膏基復(fù)合相變材料的熱性能參數(shù)

2.2.1導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)。根據(jù)傅里葉定律得到雙平板法測量導(dǎo)熱系數(shù)式(11)[16]，計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，見表2所示

(11)

式中，λ0為附著層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d1為附著層厚度，mm；λ為主體材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；h-d1為主體材料厚度，mm；λ′為試件導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；h為試件厚度，mm。

表2　導(dǎo)熱系數(shù)

2.2.2等效比熱容

等效比熱容是一種潛熱處理的方法。從圖7可看出，建筑石膏和石膏基復(fù)合相變材料的熱流與溫度的關(guān)系，利用式(12)計(jì)算定壓比熱容[17]，結(jié)果見圖8

(12)

式中，m為試件質(zhì)量，mg；β為升溫速率，℃/s；dQ/dt為熱流；CP為定壓比熱容，J/(g·K)。

圖7　DSC曲線

由圖8可知，建筑石膏硬化體作為常物性材料，定壓比熱容CP為1.05 kJ/kg；石膏基復(fù)合相變材料作為非常物性材料根據(jù)石膏基復(fù)合相變材料作為非常物性材料，定壓比熱容CP根據(jù)材料狀態(tài)發(fā)生變化，需要計(jì)算等效比熱容。

圖8　定壓比熱容曲線

根據(jù)圖7中石膏基復(fù)合相變材料的熱流曲線、相變半徑及相變焓。同時(shí)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[18]，關(guān)系如式(13)和(14)，可計(jì)算等效比熱容為3 988 J/(kg·K)。

當(dāng)

或T>Tm+θ時(shí)

(13)

當(dāng)Tm-θ≤T≤Tm+θ時(shí)

(14)

式中，θ為相變半徑，℃；Tm為平均相變溫度，K；H為相變材料的相變潛熱，kJ/kg；Cp,m為相變材料的等效比熱容，J/(kg·K)；Cp,s為相變材料在固態(tài)時(shí)的比熱容，J/(kg·K)。

2.2.3對流換熱系數(shù)

對流換熱系數(shù)為表征流體與固體表面之間的換熱能力的物理量。由2.1.2可知，表面質(zhì)交換系數(shù)為0.0078m/s(吸濕)和0.0097m/s(放濕)。同時(shí)，根據(jù)Lewis方程式(15)[19]，計(jì)算對流換熱系數(shù)為10.11W/(K·m2) (吸濕)和12.71W/(K·m2)(放濕)

(15)

式中，hm為表面質(zhì)交換系數(shù)，m/s；hc為對流換熱系數(shù)，W/(K·m2)；CP,air為空氣比熱，J/(kg·K)；ρa(bǔ)ir為空氣密度，kg/m3。

2.2.4相變因子

相變因子即相變材料摻入基體后的相變潛熱(也稱為相變焓)與純相變材料的相變潛熱之比，表示復(fù)合相變材料的儲熱能力。相變膠囊的相變焓為67.77 kJ/kg和石膏基復(fù)合相變材料的相變焓為19.76 kJ/kg。根據(jù)式(16)，計(jì)算相變因子為0.583

(16)

式中，σPCM為相變因子；HC-PCM為復(fù)合相變材料的相變焓，J/kg；HP-PCM為純相變材料的相變焓，J/kg。

3　結(jié)　論

(1)將相變微膠囊摻入建筑石膏中的細(xì)小孔隙，并且粒度均勻，球形度較好，無明顯缺陷，未發(fā)生團(tuán)聚，表明相變微膠囊適合用于建筑材料中。

(2)相變微膠囊外殼是高吸水樹脂聚丙烯酸鈉具有高分子親水官能團(tuán)，對水分子具有較強(qiáng)的吸濕性能。從而提高石膏基復(fù)合相變材料的調(diào)濕效果。

(3)相變微膠囊的摻入使石膏基復(fù)合相變材料成為非常物性材料，其相變溫度為29.53 ℃、相變焓為19.76kJ/kg。

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Experimentalonparametersoftemperature-humidityofgypsum-basedcompositephasechangematerial

SHANGJianli，ZHANGHao，XIONGLei，MAXianglong

(CollegeofMaterials&MineralResources,Xi’anUniversityofArchitecture&Technology,Xi’an710055,China)

Inordertofurthersupplementandimprovethereliabilityofcoupledheatandmoisturemathematicalmodelinbuildingwall,experimentalresearchonthermalandhumidpropertyofgypsum-basedcompositephasechangematerialthatwithbuildinggypsumasbasismaterial,phasechangemicrocapsulemixedwithgypsum-based.Performanceofgypsum-basedcompositephasechangematerialwastestedbysaturatedsaltsolution,simulationexperimentofheatandmoisturetransfer,equivalenceheatconductiontest,etc;andthetestresultswereanalyzedbythecalculusandmathematicalfitting.Theresultsshowgypsum-basedcompositephasechangematerialcanprovidegoodperformanceofthermalstorageandsaturationhumidity;thissubjectfirstlybringsupimportantparametersofgypsum-basedcompositephasechangematerial,suchasthesurfacemasstransfercoefficient,moisturediffusioncoefficient,phasetransformationfactor,etc;thereparametersprovidesanimportantbasisforcalculatingtheenergysavingefficiencyofgypsum-basedcompositephasechangematerial.

phasechangemicrocapsule;gypsum-basedcompositephasechangematerial;couplingsimulation;parametersoftemperature-humidity;phasetransformationfactor

1001-9731(2016)05-05068-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51172176)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013KTCL03-17)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2012KCT-11)

2015-02-05

2015-12-01 通訊作者：張浩，E-mail:fengxu19821018@163.com

尚建麗(1957-)，女，河南滑縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)保型建筑節(jié)能材料研究。

TU512.4

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10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.012