建筑用多孔型相變儲熱材料的制備及性能表征

賈紹琨，張玉棟

（1河北工業職業技術學院宣鋼分院，河北張家口075100：2河北建筑工程學院，河北張家口075000）

相變儲能材料是當前我國建筑領域廣泛使用的一種室溫調節材料，該材料有助于平衡室內晝夜溫度并降低取暖能耗[1]。而“多孔”則是相變儲熱材料的一種封裝形式，即通過密集、微小的孔隙來吸附儲能材料，最終形成多孔型相變儲熱材料，同時通過化學鍵的多方協同、表面張力以及毛細吸附作用使多孔基體內部孔隙中相變儲能材料的穩定性得到進一步的增強[2-3]。本次研究將相變儲能材料選定為聚乙二醇800，其相變溫度在25℃附近，將多孔材料基體選定為膨脹石墨。

1 材料與儀器

1.1 實驗材料

可膨脹石墨（EG），規格型號為80目，石家莊灃銘礦產品有限公司；聚乙二醇800（PEG），分析純，沈陽伊威隆化工原料有限公司。其中可膨脹石墨膨脹容積為100mL/g，需要事先對其實施干燥處理，將含水率控制在3%以下。

1.2 實驗儀器與設備

SX2-6-13型馬弗爐（箱式電阻爐），上海鉅晶電阻爐生產商；DZF-6020型真空干燥箱，南京龍伍機械有限公司；Autosorb-iQ型全自動BET分析儀，美國康塔儀器公司；JSM-7001F型掃描電子顯微鏡，日本電子JEOL。

2 PEG/EG相變儲熱材料制備

選取50mL高溫陶瓷坩堝，倒入0.5g經過干燥處理的可膨脹石墨，再將坩堝置于SX2-6-13型馬弗爐中，800℃加熱60s后取出，最終獲得疏松多孔的EG[4-5]。

于燒杯中加入一定量的PEG，水浴加熱使PEG轉變為熔融狀態，分別配制3份不同質量比例的PEG/EG粗混材料，質量比例分別為6:1、9:1、11:1，材料代號分別為E-PCM1、E-PCM2、E-PCM3。將粗混材料充分攪拌后用鋁箔紙與橡皮筋密封閉燒杯口，再將燒杯置于DZF-6020型真空干燥箱中，箱內氣壓-0.1MPa、溫度75℃，經過12h的吸附處理后獲取PEG/EG相變儲熱材料，其備流程如圖1所示[6-8]。

圖1 PEG/EG相變儲熱材料的制備過程Fig. 1 Preparation process of PEG / EG phase change heat storage material

3 PEG/EG相變儲熱材料的表征

3.1 氮氣吸附法

通過Autosorb-iQ型全自動BET分析儀來表征EG的孔隙結構，于150℃環境下對待測樣本實施180min的脫氣處理，再將液氮加入樣品中，于-196℃環境下繪制EG的氮氣吸附-脫附曲線[9-11]。

3.2 掃描電鏡測試

待EG及PEG/EG相變儲熱材料充分干燥后對其實施噴金處理，利用JSM-7001F型掃描電子顯微鏡來觀察待測樣本表面微觀形貌，分辨率為1.2nm/15kV，加速電壓為20kV[12-13]。

4 實驗結果

4.1 EG的微觀形貌與孔隙結構

圖2為EG的微觀形貌圖像，圖3為EG的吸附-解吸等溫線，經BET分析發現，本次研究所制備的EG比表面積較高，可達到134.48m2·g-1，表明EG內部孔隙較為豐富，有助于吸附較多的相變儲能材料，其孔隙類型主要包括微孔（Φ <2nm）、介孔（2nm<Φ <50nm）、大孔（Φ >50nm）三種。根據圖2可以觀察到，EG呈多孔、疏松、柔軟的層狀結構，層間的孔隙呈網狀分布。

圖2 EG表面微觀形貌Fig. 2 Surface morphology of EG

圖3為EG的吸附-脫附等溫線，滯回曲線上下兩端的閉合點距離較寬，代表EG的介孔孔徑分布較寬，孔隙類型主要為介孔。

圖3 EG的吸附-脫附等溫線Fig. 3 Adsorption desorption isotherm of EG

圖4為EG的孔隙積分孔容與孔徑關系曲線，根據該圖可知，EG的孔徑在2～10 nm之間，進一步證明了EG的孔隙類型主要為介孔。以往研究發現，大孔EG材料在外界壓強發生變化的情況下容易出現吸附物流失的問題，而微孔EG材料只有在較為嚴苛的溫度和壓強環境下才能夠發揮吸附作用。介孔EG材料則能夠于低壓環境下吸附相變儲熱物質，由于其層狀結構較為柔軟，吸附物不易流失。

圖4 EG的孔隙積分孔容與孔徑關系曲線Fig. 4 Relationship curve between pore volume and pore diameter of EG

4.2 PEG/EG相變儲熱材料的儲熱性能

表1為PEG800及PEG/EG相變儲熱材料的DSC數據，經實驗研究發現，純PEG在結晶過程中的相變潛熱為141.41J·g-1，熔化過程中的相變潛熱為144.71J·g-1，雖然潛熱值較高，但熔化過程中的峰值溫度為33.51°C，并不處于人體舒適溫度范圍。而E-PCM2的潛熱值僅次于純PEG，結晶過程中的峰值溫度為20.20°C，熔化過程中的峰值溫度為25.04°C，在具有較高相變潛熱值的同時，相變溫度也處于人體舒適溫度區間。

表1 PEG800及PEG/EG相變儲熱材料的DSC數據Table 1 DSC data of PEG800 and PEG/EG phase change materials

5 結論

經實驗研究發現，可膨脹石墨是吸附相變儲熱材料的優良介質，能夠在常規環境下發揮良好的吸附作用，其特殊的孔隙分布形態使得吸附物不易發生流失。在對比幾種不同比例的PEG/EG相變儲熱材料后發現，PEG和EG的質量比例為9:1的情況下，其相變潛熱較為理想，且相變溫度也處于人體舒適溫度區間。