石墨改性膨脹珍珠巖相變儲熱復(fù)合材料試驗及性能*

張玉潔，李嘉儀，王劭琨，安 冬

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

相變儲熱材料是當(dāng)下建筑節(jié)能中的重要部分，通過吸熱儲熱或者放熱來維持自身的溫度不發(fā)生變化，進(jìn)而對建筑的溫度進(jìn)行調(diào)控，是當(dāng)下較為流行和運(yùn)用較廣的一種建筑儲能材料，也被用于暖通系統(tǒng)中。在實際應(yīng)用中，為尋找性能更好的相變儲熱材料，部分學(xué)者進(jìn)行了研究，如：謝雯倩［1］制備了LA-PA/焦粉復(fù)合相變儲能材料，并證明該材料經(jīng)過多次吸熱放熱后，相變焓變化不大，儲熱穩(wěn)定性良好；蒯子函［2］制備了硬脂醇/膨脹石墨復(fù)合相變材料，通過對樣品的導(dǎo)熱性能和熔化-凝固特性進(jìn)行驗證，表明該材料具備良好相變儲熱性能。實踐認(rèn)為,目前在相變儲熱材料的種類研究方面較為完善，但在材料的性能方面還有一定提升空間。基于此，本文在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以常見的膨脹珍珠巖為主要原料，用石墨粉改性膨脹珍珠巖相變儲熱材料，并就改性后的性能進(jìn)行分析。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

本試驗主要材料：聚乙二醇（PEG，濟(jì)南騰博化工有限公司，AR）、膨脹珍珠巖（EP，廊坊宇邦保溫材料有限公司，CP）、石墨粉（GP，靈壽縣拓琳礦產(chǎn)品加工，I級）、粉煤灰（靈壽縣海濱礦產(chǎn)品貿(mào)易有限公司，II級）、水泥（湖南鑫鼎力新材料科技有限公司，P.O 42.5）、河砂（河北寶廷工程建設(shè)有限公司，II級）。

本試驗主要設(shè)備：電熱恒溫水浴鍋（沃林儀器設(shè)備，DZKW-C型）、真空干燥箱（林頻儀器，DZF-6020）、超聲清洗機(jī)（潔盟超聲科技，JM-38D-40）、集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（凱瑞儀器設(shè)備，DF-101S）、混凝土振動臺（星建儀器設(shè)備，HZJ-1）、差示掃描量熱儀（恒久實驗設(shè)備，DSC-Q2000）、導(dǎo)熱系數(shù)測試儀（湘儀儀器，DRE-III）、微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)（吉蒂艾思儀器設(shè)備，WAW-B）。

1.2 試驗方法

1.2.1 復(fù)合相變儲熱材料的制備

（1）在四個燒杯中分別放入20g PEG ，編號為PEGs-（1~4），然后采用水浴加熱熔融，溫度為80℃。

（2）在編號為PEGs-2、PEGs-3、PEGs-4的燒杯中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%、5%的石墨粉，然后磁力攪拌混合均勻，攪拌時間和溫度分別為60min和80℃。將混合物放入超聲清洗機(jī)內(nèi)超聲處理，處理時間為60min。

（3）分別在燒杯中加入0.5g EP，然后置于真空干燥箱中烘干，烘干時間和溫度分別為60min、80℃。用金屬漏網(wǎng)過濾后用濾紙擦干材料表面液體，得到復(fù)合相變儲熱材料。

1.2.2 蓄熱磚的制備

按照1份水泥，1份粉煤灰和3份河砂的比例制作蓄熱磚。待所有蓄熱磚原料混合均勻后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的復(fù)合相變儲熱材料，將攪拌均勻的漿料倒入模具后，采用混凝土振動臺通過振動將漿料內(nèi)的氣泡排出，使得漿料內(nèi)部更加密實，養(yǎng)護(hù)至指定齡期。以上述同樣的方法制備對照組。未加入改性后的復(fù)合相變儲熱材料的普通磚編號為S1，加入改性后的復(fù)合相變儲熱材料的蓄熱磚編號為S2。

1.2.3 性能測試與表征

（1） 負(fù)載率測試

負(fù)載率（質(zhì)量比）的表達(dá)式為［3-5］：

式（1）中，λ為PEG負(fù)載率；M1為膨脹珍珠巖質(zhì)量；M2為復(fù)合相變儲熱材料質(zhì)量。

（2） DSC分析

用差示掃描量熱儀對相變焓進(jìn)行分析，進(jìn)而對樣品的儲熱性能進(jìn)行分析［6］。

（3）熱導(dǎo)率分析

用導(dǎo)熱系數(shù)測試儀可以準(zhǔn)確測定樣品的熱導(dǎo)率，通過熱導(dǎo)率的變化對材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行表征［7］。

（4）力學(xué)強(qiáng)度分析

力學(xué)性能通過測試?yán)鞆?qiáng)度和撕裂強(qiáng)度進(jìn)行表征，采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行測試［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 PEG負(fù)載率

圖1為負(fù)載率隨石墨粉添加量的變化。由圖1可知，隨著石墨粉增加，負(fù)載率緩慢下降。出現(xiàn)此變化的主要原因在于，在膨脹珍珠巖吸附效率固定的情況下，石墨粉添加量越多，PEG在復(fù)合變儲熱材料中的單位含量有所下降，使其負(fù)載率有所下降［9-10］。

圖1 負(fù)載率變化Fig.1 Change of loading rate

2.2 儲熱性能分析

圖2為復(fù)合相變材料的DSC曲線。通過觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，未添加石墨粉的復(fù)合相變材料峰面積較大，而峰面積主要對應(yīng)的是材料相變焓高低，峰與相變焓數(shù)據(jù)相關(guān)。在本次試驗中，相變焓出現(xiàn)此變化的主要原因在于，膨脹珍珠巖的吸附量基本上可以視為固定，加入石墨粉后，對吸附孔洞起到一定的堵塞作用，對PEG吸附有所影響。在差熱分析的過程中，受石墨粉影響，PEG含量低的樣品相變焓也越低［11-12］。同時，通過圖2還可觀察到，所有添加了石墨粉的樣品中，峰面積都較為接近，證明添加少量的石墨粉對復(fù)合相變儲熱材料的相變焓影響較小，其中添加量為1%（PEGs-2）的峰面積相對較大，這說明在添加了石墨的樣品中，PEGs-2材料的相變焓較高。

圖2 不同石墨粉添加量的復(fù)合相變材料DSC曲線Fig. 2 DSC curves of composite phase change materials with different amount of graphite powder

2.3 熱導(dǎo)率分析

圖3為熱導(dǎo)率對比圖。由圖3可知，經(jīng)過石墨粉改性后的材料熱導(dǎo)率最高可以達(dá)到0.392W/(m·K)，較純PEG熱導(dǎo)率提高了52%，較PEGs-1樣品提高了310%，這說明使用石墨粉作為導(dǎo)熱增強(qiáng)填料是可行的［13-14］。

圖3 材料熱導(dǎo)率Fig. 3 Thermal conductivity of materials

2.4 蓄熱磚抗壓強(qiáng)度變化

將復(fù)合材料應(yīng)用到蓄熱磚中，得到圖4的蓄熱磚抗壓強(qiáng)度變化情況。觀察圖4發(fā)現(xiàn)，未添加復(fù)合相變儲熱材料的蓄熱磚樣品抗壓強(qiáng)度在所有養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)皆高于添加了復(fù)合相變儲熱材料的蓄熱磚樣品。這是因為加入復(fù)合相變儲熱材料后，增大了樣品內(nèi)部孔隙，顆粒間結(jié)合的較為松散，對其抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響，但添加了復(fù)合相變材料樣品在養(yǎng)護(hù)28d后，樣品的力學(xué)強(qiáng)度仍高于15MPa，滿足國家對建筑材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求［15］。

圖4 蓄熱磚抗壓強(qiáng)度變化Fig.4 Change of compressive strength of heat storage brick

2.5 蓄熱磚儲熱性能變化

圖5為蓄熱磚的DSC曲線圖。在圖5中可以看到，S1樣品的DSC曲線為一條直線，幾乎沒有波動，這說明在100℃溫度范圍內(nèi)，S1樣品幾乎沒有相變焓存在。而S2樣品的DSC曲線有明顯峰值出現(xiàn)，且峰面積較大，說明該材料具有良好的相變焓，表明添加了復(fù)合相變儲熱材料后，蓄熱磚具有了一定的儲熱性能，可在建筑節(jié)能中調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度應(yīng)用。

圖5 蓄熱磚DSC曲線Fig.5 DSC curve of heat storage brick

2.6 蓄熱磚熱導(dǎo)率變化

圖6為蓄熱磚熱導(dǎo)率變化。可以發(fā)現(xiàn)，添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%復(fù)合相變儲熱材料的蓄熱磚熱導(dǎo)率達(dá)到0.412W/(m?K)，較普通磚熱導(dǎo)率增加了約72%，這說明蓄熱磚表現(xiàn)出了較好的蓄熱作用。

圖6 蓄熱磚熱導(dǎo)率變化Fig. 6 Change of thermal conductivity of heat storage brick

3 結(jié)論

（1)石墨粉對復(fù)合相變儲熱材料具有較大的影響，石墨粉添加量越高，負(fù)載率越小，則相變焓隨之減小，石墨粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%最佳。

（2）制備的復(fù)合相變儲熱材料熱導(dǎo)率為0.392W/(m?K)，較純PEG增加了52%。

（3）添加了復(fù)合相變儲熱材料的蓄熱磚養(yǎng)護(hù)28d后，力學(xué)強(qiáng)度超過15MPa，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）通過復(fù)合相變儲熱材料制備的蓄熱磚較普通蓄熱磚的熱導(dǎo)率提高了約72%，說明本材料可在節(jié)能保溫方面發(fā)揮良好作用，可在暖通工程和建筑節(jié)能方面得到應(yīng)用。參考文獻(xiàn)

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