CA-LA/膨脹性玻化微珠PCM的制備及性能研究

宋 雙

(吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 前 言

相變材料是一種可以充分利用自然界熱源的變化主動(dòng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存、釋放能量，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，從而達(dá)到節(jié)能目的的新型節(jié)能材料[1]。國(guó)內(nèi)外采用的封裝技術(shù)一般為微膠囊技術(shù)和納米復(fù)合技術(shù)，把相變材料封裝成能量微球，從而制備出復(fù)合定形相變材料[2-3]，但其昂貴的封裝成本，很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)[4]。本文采用吸附封裝方法將相變材料吸附到多孔材料膨脹性玻化微珠中，制備成顆粒型相變材料。制得的顆粒型相變材料有效地解決了相變材料與建筑材料的相容性問(wèn)題，同時(shí)還可以提高整個(gè)系統(tǒng)的傳熱性能。本實(shí)驗(yàn)采用癸酸和月桂酸作為研究PCM的原相變材料[5]，采用膨脹性玻化微珠作為吸附載體進(jìn)行了復(fù)合相變材料的制備并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：癸酸(CA)；月桂酸(LA)；膨脹性玻化微珠：吸水率：60%～70%，粒度：0.5～3.5 mm，容重：80～120 kg/m2。

儀器：真空泵、電熱套、水浴鍋、燒瓶、滴液漏斗、熱分析儀(DSC)、掃描電鏡等。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

相變材料的制備：首先稱取一定量的癸酸和月桂酸，然后將癸酸在恒溫水浴鍋下熔融，并逐漸將月桂酸加入到癸酸中，持續(xù)攪拌直到二者完全熔融并混合均勻，常溫下冷卻，最后制備得到相變材料。

無(wú)機(jī)-有機(jī)定形復(fù)合相變材料制備：首先將三口燒瓶放入電熱套中，以70℃恒溫加熱，并稱取一定量的膨脹性玻化微珠，放入三口燒瓶中；然后稱取一定量溶解后的相變材料(70℃)，放入滴液漏斗中；最后開(kāi)啟真空泵、攪拌器(設(shè)置合適的攪拌速度)，緩慢滴加熔融的相變材料，制備得到復(fù)合相變材料。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 二元相變材料及復(fù)合相變材料的DSC熱分析及結(jié)果討論

圖1為二元相變材料的DSG曲線，圖2為復(fù)合相變材料的DSG曲線。

圖1 二元相變材料的DSC曲線

圖2 復(fù)合相變材料的DSC曲線

應(yīng)用在建筑物室內(nèi)的復(fù)合相變材料，應(yīng)具有較高的相變潛熱及合理的相變溫度點(diǎn)，根據(jù)使用區(qū)域的不同：應(yīng)用于南方室內(nèi)的合理溫度是25℃～28℃；應(yīng)用在北方室內(nèi)的合理溫度是18℃～26℃。本實(shí)驗(yàn)研究的相變材料是根據(jù)北方室內(nèi)的溫度特點(diǎn)而進(jìn)行研究和討論的。在癸酸摻量為70%時(shí)，相變溫度最合理為23.93℃，相變潛熱最高為143.48 J/g，吸熱峰面積為659.57 mJ。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著相變材料吸附量的不斷增加，膨脹性玻化微珠吸附難易程度上升。吸附的相變材料越多，膨脹性玻化微珠吸附越困難，并且抽真空的時(shí)間也隨之增加，當(dāng)吸附50 g相變材料時(shí)，復(fù)合相變材料表面出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，三口燒瓶?jī)?nèi)壁上呈濕潤(rùn)狀態(tài)，說(shuō)明相變材料已經(jīng)吸附到上限而出現(xiàn)泄露。說(shuō)明當(dāng)吸附相變材料過(guò)多時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)液體泄漏現(xiàn)象，反而會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。

從表1可以看出，隨著相變材料吸附量的不斷增加，復(fù)合相變材料的相變溫度基本趨于穩(wěn)定，和相變材料的相變溫度變化相一致，相變潛熱也隨著吸附量的增加而提高。因此得出結(jié)論：在保證復(fù)合相變材料整體穩(wěn)定的前提下，應(yīng)該盡可能多地吸附相變材料，能夠得到相變潛熱很高的復(fù)合相變材料，從而提高節(jié)能率。

表1 復(fù)合相變材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)計(jì)算相變材料的吸附率分別為49%、53%、57%、60%、63.5%、66%。當(dāng)相變材料含量為66%時(shí)復(fù)合相變材料在溫度高于相變材料熔點(diǎn)時(shí)發(fā)生明顯的液體泄漏現(xiàn)象，這是因?yàn)榕蛎浶圆；⒅樽鳛槲捷d體其吸附能力是有限的，存在一個(gè)臨界值，如果超出這個(gè)臨界值，膨脹性玻化微珠則不能完全吸附相變材料。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及DSC測(cè)試觀察，當(dāng)吸附率達(dá)到63.5%時(shí)，相變溫度為21.73℃，相變潛熱為120.04 J/g，吸熱峰面積為493.02 mJ。此時(shí)的相變溫度適宜北方室內(nèi)的居住環(huán)境，并且有較高的相變潛熱，滿足實(shí)際要求。

2.2 復(fù)合相變材料的微觀表征

圖3是SEM分別放大膨脹性玻化微珠100倍和300倍的圖像，圖4是SEM分別放大復(fù)合相變材料(吸附率為63.5%)的200倍和500倍的圖像。可以看出吸附前和吸附后二者的形貌有很大變化。

(a)放大100倍

(b)放大300倍

(a)放大200倍

(b)放大500倍

由圖3可以分析出，膨脹性玻化微珠具有較高的孔隙率，孔結(jié)構(gòu)分布比較均勻，孔徑尺寸為30～40 μm，孔隙相互貫通，基本上為與外界聯(lián)通的開(kāi)口孔隙，為吸附相變材料提供了必要條件。從圖4可以分析出，結(jié)合宏觀相變過(guò)程，吸附相變材料45 g時(shí)，宏觀沒(méi)有明顯的液相產(chǎn)生，這可能是因?yàn)榕蛎浶圆；⒅楠?dú)特的孔結(jié)構(gòu)所造成的。因?yàn)榭讖匠叽鐬?～10 μm時(shí)，相變材料在發(fā)生相轉(zhuǎn)變過(guò)程中由固相變?yōu)橐合鄷r(shí)，由于毛細(xì)孔張力的作用，宏觀上無(wú)液相的生成。雖然本文中所采用的多孔吸附體膨脹性玻化微珠，孔徑尺寸較大，連通孔數(shù)量較多，但由于吸附材料與相變材料之間的質(zhì)量比較為合理，在吸附率在63.5%范圍內(nèi)，相變材料能被吸附到膨脹性玻化微珠孔洞的內(nèi)壁上。通過(guò)SEM圖像可以很明顯地看出膨脹性玻化微珠的內(nèi)壁吸附上一層相變材料，表明在抽真空條件下膨脹性玻化微珠對(duì)相變材料有很好的吸附性。由于內(nèi)表面的浸潤(rùn)作用，液化的相變材料不會(huì)從孔洞當(dāng)中溢出，所以宏觀上還是一種固-固復(fù)合相變材料，因此膨脹性玻化微珠可以作為一種吸附載體。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用物理混合方法制備二元體系相變材料，依據(jù)熱力學(xué)基礎(chǔ)二相低共熔點(diǎn)理論和動(dòng)力學(xué)理論，按照一定比例熔融制備二元體系相變材料。通過(guò)真空吸附方法制備復(fù)合相變材料并制備出較為合理的比例的復(fù)合材料。

1)當(dāng)癸酸：月桂酸=7:3時(shí)，相變潛熱最高，達(dá)到143.48 J/g，相變溫度為23.93℃，吸熱峰面積為659.57 mJ。

2)復(fù)合相變儲(chǔ)能材料中相變材料與載體的最佳適宜比例為1.8∶1，此時(shí)相變溫度為21.73℃，相變潛熱為120.04 J/g，吸熱峰面積為493.02 mJ。

3)通過(guò)相變材料在膨脹性玻化微珠多孔基體里SEM的測(cè)試分析，表明相變蓄能材料在多孔基體材料中的蓄熱能力得到提高，發(fā)生相變時(shí)其熱性能穩(wěn)定，相變材料與多孔基體材料能很好的結(jié)合。并且，膨脹性玻化微珠的滲入改善了相變材料的傳熱性能。測(cè)試結(jié)果表明，該多孔基體復(fù)合相變材料具有較高的蓄熱能力和較好的熱穩(wěn)定性。

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