珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能材料制備技術(shù)研究

王文娟，陳 峙

（信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷提升，各國(guó)對(duì)于能源、資源的需求都呈現(xiàn)出大幅度提高的趨勢(shì)。世界能源與資源的消耗量逐漸增加，能源節(jié)約已經(jīng)成為制約著社會(huì)乃至國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸問(wèn)題。在這樣的大環(huán)境背景下，由于我國(guó)在相變儲(chǔ)能材料理論方面的研究起步相對(duì)其他國(guó)家較晚，并且在實(shí)際的建筑工程領(lǐng)域當(dāng)中實(shí)現(xiàn)開發(fā)更是缺失[1]。目前，我國(guó)高能耗建筑在我國(guó)既有建筑中的占比超過(guò)九成，其中絕大部分是沒(méi)有考慮相變儲(chǔ)能材料的高耗能建筑。相變儲(chǔ)能材料（PCMs），是指能夠在一定溫度條件下，實(shí)現(xiàn)固體、液體和氣體三相之間狀態(tài)改變的材料。與此同時(shí)，在對(duì)周圍環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程中，還可以減緩能源供需之間在時(shí)間和速度上的不同步，達(dá)到對(duì)室溫的控制，極大地降低了空調(diào)等調(diào)溫設(shè)備的能耗，從而達(dá)到降低環(huán)境污染和溫室效應(yīng)的目的，尤其適合于建筑節(jié)能保溫領(lǐng)域[2]。基于相變儲(chǔ)能材料在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，本文下述將開展對(duì)珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能材料制備技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。

1 珍珠巖預(yù)處理與表面改性

珍珠巖是一種傳統(tǒng)的保溫材料，具備保溫、隔聲以及輕質(zhì)等特點(diǎn)，但是珍珠巖本身的吸水率極高，所吸水的質(zhì)量通常能夠達(dá)到其自身質(zhì)量的3～4倍，在吸水后，其自身的保溫性能會(huì)急劇下降。針對(duì)這一問(wèn)題，為提高珍珠巖的應(yīng)用性能，將其與相變儲(chǔ)能材料相結(jié)合，制備全新的珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能材料[3]。在制備前，需要先對(duì)珍珠巖材料進(jìn)行預(yù)處理以及表面改性。在預(yù)處理時(shí)，需要用到十二烷基苯磺酸鈉（SDBS） 作為表面活性劑，有機(jī)硅溶液和聚二甲基硅氧烷作為憎水劑。在預(yù)處理前，珍珠巖的外觀為白色顆粒。預(yù)處理操作流程為：選用60目（0.30 mm 規(guī)格） 和80 目（0.45 mm 規(guī)格） 的篩子，對(duì)珍珠巖進(jìn)行過(guò)篩處理。將其按照粒徑分別為0.30mm 和0.45 mm 兩種規(guī)格進(jìn)行分類。從完成篩選的珍珠巖顆粒中提取100 g，并將其放入到容積為 1000 mL 的燒杯當(dāng)中。向燒杯內(nèi)加入12 g SDBS，以及450 mL 的蒸餾水，持續(xù)攪拌15 h，再經(jīng)過(guò)抽濾后，放置在50 ℃干燥環(huán)境中12 h。珍珠巖預(yù)處理裝置連接結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 珍珠巖預(yù)處理裝置連接結(jié)構(gòu)圖

在完成對(duì)珍珠巖的預(yù)處理后，將溶液浸漬法與水解沉積法相結(jié)合，對(duì)珍珠巖表面改性。稱取10 g經(jīng)過(guò)預(yù)處理的珍珠巖粉末。將其放入到250 mL 容量燒杯中，再向燒杯內(nèi)加入100 g 蒸餾水。在60 ℃溫度環(huán)境下，持續(xù)攪拌2 h。攪拌后，加入適量濃度的有機(jī)硅溶液和聚二甲基硅氧烷混合溶液，再持續(xù)攪拌8 h。攪拌完畢后，將燒杯密封，并在60 ℃溫度環(huán)境下使其充分反應(yīng)2 h。最后經(jīng)過(guò)抽濾，在60 ℃干燥環(huán)境中持續(xù)12 h 干燥[4]。在完成上述操作后，對(duì)處理后的珍珠巖吸水率進(jìn)行測(cè)定。稱取烘干后的3 份樣品，將其質(zhì)量控制為各5 g，向其中加入150 mL 的蒸餾水，在靜置5 h 后，稱取其質(zhì)量，并結(jié)合下述公式計(jì)算得出吸水率。

式中：η 為處理后珍珠巖的吸水率；m2為靜置后稱取的珍珠巖質(zhì)量；m1為靜置前烘干后的質(zhì)量。除此之外，針對(duì)處理后的珍珠巖材料還需要對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能和熱力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。對(duì)材料的動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試基本操作為：在吸收塔內(nèi)，用一張濾紙包著一塊脫脂棉，用一根細(xì)細(xì)的金屬線綁到吸收塔的底部，然后倒入20 mL 的水，加入適量的油（油使用石蠟，并用蘇丹紅IV 將其染成紅色）。將其置于環(huán)境溫度（16 ℃）下，測(cè)定其放置2 min、5 min、10 min、15 min、30 min、60 min 后的吸油率。在測(cè)定吸油速率時(shí)，應(yīng)將吸收塔底部的閥開啟，讓水與油自然排出[5]。對(duì)材料的熱力學(xué)性能測(cè)試基本操作為：在所述吸收塔中，將脫脂棉用一張濾紙包好，并用一根細(xì)線綁到吸收塔的底部，然后，添加20 mL的水，添加適量的油（水面浮油量分別為0.2 g/mL、0.4 g/mL、0.6 g/mL、0.8 g/mL、1 g/mL，并用蘇丹紅IV 將所述油染成紅色）。在0 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃的環(huán)境下，測(cè)定放置15 min 后的吸油速率。在完成上述測(cè)試，并確保各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)定要求后，才能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到復(fù)合材料的制備流程中。

2 制備所需原材料與設(shè)備選擇

在完成對(duì)珍珠巖材料的預(yù)處理和表面改性后，對(duì)珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能材料制備所需的原材料和設(shè)備進(jìn)行選擇。原材料包括正癸酸、珍珠巖等。選用化學(xué)純（99%） 白色晶體正癸酸，以及上述經(jīng)過(guò)預(yù)處理后粒徑在0.30～0.45 mm 范圍內(nèi)的珍珠巖。所需制備設(shè)備包括真空泵、恒溫水浴鍋、通氣閥、三口圓底燒瓶以及溫度計(jì)。所選用的真空泵為SHZ-D（III） 型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)兩抽頭防腐型真空泵，電機(jī)功率為180 W；水箱容積為15 L；噪音為50 dB。所選用的恒溫水浴鍋為SYP-48100 型號(hào)，其溫度范圍為室溫～99.9 ℃；溫度均勻度為95%；加熱功率為1500 W；溫度分辨率為0.1 ℃。

3 基于浸漬法的材料制備

在確定制備所需原材料和設(shè)備后，結(jié)合浸漬法對(duì)珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行制備。以珍珠巖為基質(zhì)，以石蠟基為儲(chǔ)能介質(zhì)，制備一種新型的復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。在此基礎(chǔ)上，將石蠟-珍珠巖的相變組分添加到爐渣中，并與常規(guī)的硅酸鹽水泥進(jìn)行比較。與硅酸鹽水泥相比，復(fù)合相變儲(chǔ)能材料外部溫度的起伏變化和波動(dòng)小且平穩(wěn)。與普通硅酸鹽混凝土比較，具有較低的溫升、冷卻時(shí)間，且具有較好的節(jié)能性能，滿足了建筑保溫性能的需要。由于其在室溫、常壓條件下合成，而非真空吸附，致使膨脹珍珠巖中仍存在著大量的微孔隙，在其不能到達(dá)相變點(diǎn)之前，對(duì)其進(jìn)行了絕熱和保溫。

以不同的配比為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)正癸酸和改性后的膨脹珍珠巖進(jìn)行稱量，并將其放入250 mL 的三口圓底燒瓶中，對(duì)其氣密性進(jìn)行檢測(cè)，開啟真空泵，將其抽真空30 s，將其打開，并將其設(shè)定為適合的溫度45 ℃，將其放入恒溫水浴鍋中15 min，之后再打開通氣閥，并進(jìn)行2 min 的攪拌。再對(duì)氣密性進(jìn)行檢測(cè)，開啟真空泵，將其抽真空30 s，打開恒溫水浴鍋。將其設(shè)定為適合的溫度45 ℃，將其放入恒溫水浴鍋中15 min。之后再打開氣閥，進(jìn)行2 min 的攪拌，之后將其冷卻，就可以得到正癸酸/膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料。該技術(shù)涉及一種新型的相變材料，它可以與灰泥、混凝土、石膏和瀝青等混合，制備出一種新型的相變儲(chǔ)能灰泥和相變混凝土。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

通過(guò)本文上述論述，提出了一種全新的珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能材料制備技術(shù)。實(shí)驗(yàn)選擇珍珠巖材料為：60～80 目，天津市科銳思化工有限公司。正癸酸：分析純（99%） 白色晶體，熔點(diǎn)29.0～32.0 ℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98.0%，天津市福晨化學(xué)試劑廠。有機(jī)硅溶液：分析純，淺黃色透明液體，密度為0.95 g/mL，pH 值為6～7，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司。500 號(hào)石蠟油：石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%，圣康化工有限公司。按照上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表1 為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改性方法對(duì)珍珠巖吸水率的影響。從中不難看出，隨著有機(jī)硅質(zhì)量的增加，珍珠巖的吸水性隨之降低。當(dāng)有機(jī)硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.13%時(shí)，改性后的珍珠巖呈粒狀。此過(guò)程中，水解沉積法處理的珍珠巖具有較好的厭水性。由此，本次實(shí)驗(yàn)選擇溶液浸漬法與水解沉積法相結(jié)合，對(duì)珍珠巖表面進(jìn)行改性的方法具有較好的可操作性。

表1 改性過(guò)程中珍珠巖吸水率的變化

制備過(guò)程中，水解溫度對(duì)珍珠巖吸水率的影響見圖2。結(jié)果表明，在22～40 ℃的水解溫度范圍內(nèi)，珍珠巖的吸水率明顯降低；在40～60 ℃的水解溫度范圍內(nèi)，吸水率降低的速率減緩；在60～80 ℃的水解溫度范圍內(nèi)，吸水率基本不變，且趨于平穩(wěn)。由此，60 ℃的水解溫度較為適宜。

圖2 水解溫度對(duì)珍珠巖吸水率的影響

為驗(yàn)證該技術(shù)應(yīng)用可行性，對(duì)應(yīng)用新技術(shù)的材料質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。將制備后的材料作為研究對(duì)象，針對(duì)其質(zhì)量損失比進(jìn)行觀察，選用JSM-5600 型號(hào)電子掃描顯微鏡作為觀測(cè)設(shè)備，對(duì)制備材料的形貌進(jìn)行觀測(cè)，再采用NICOLE 紅外光譜儀對(duì)材料進(jìn)行紅外分析。通過(guò)一定質(zhì)量的材料在不同溫度條件下，觀察其質(zhì)量變化。共設(shè)置兩種溫度條件，分別為40 ℃和50 ℃，測(cè)試在10 min、20 min、30 min時(shí)間中質(zhì)量的變化，將得到的數(shù)據(jù)記錄見表2。

表2 材料質(zhì)量損失比記錄表

從表2 可以看出，在溫度為40 ℃和50 ℃的條件下，制備的材料隨著其質(zhì)量比的增加，相應(yīng)的質(zhì)量損失逐漸增加，且質(zhì)量損失的占比呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，損失速率逐漸增加。再進(jìn)一步結(jié)合掃描電鏡得到的結(jié)果對(duì)制備的材料進(jìn)行分析。制備的材料內(nèi)部呈現(xiàn)出蜂窩狀多孔疏松結(jié)構(gòu)，孔與孔之間都相互分隔，孔壁薄，且較為光滑。這種材料結(jié)構(gòu)能夠?yàn)橄嘧儍?chǔ)能材料融合提供更理想的空間條件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在100 個(gè)循環(huán)的熱循環(huán)中，珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能材料仍處于熔化狀態(tài)，且不會(huì)發(fā)生大的滲漏，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。這主要是因?yàn)樗目紫督Y(jié)構(gòu)可以讓相變儲(chǔ)能材料在它的表面張力和高毛細(xì)作用下，很難滲透到液體中，因此進(jìn)一步提高了材料的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能材料是建筑外墻保溫的主要材料，具有調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、保溫等功效，通過(guò)對(duì)該材料的使用能夠減少建筑材料的消耗，增加建筑面積，并減少環(huán)境污染以及溫室氣體的排放。基于該材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，本文上述研究提出了一種新的制備技術(shù)，并通過(guò)對(duì)制備后的材料性能檢驗(yàn)，間接證明了新制備技術(shù)的應(yīng)用可行性。在研究過(guò)程中，由于對(duì)材料的制備是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，與實(shí)際工程環(huán)境是否存在差異，實(shí)際工程環(huán)境中的因素是否會(huì)影響到制備效果，都需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。