直接浸泡法制備相變儲能建筑材料的實驗研究

閆全英，賀萬玉，岳立航

（北京建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，北京市供熱供燃氣通風及空調工程重點實驗室，北京 100044）

0 引言

相變材料添加到建筑材料中可提高建筑圍護結構的儲熱能力，提高建筑物舒適度，降低建筑物冷熱負荷，節(jié)約能源。相變材料與建筑材料的復合方式一般有直接摻混法、摻加能量微球法以及直接浸泡法3種。

李麗莎等[1]利用高密度聚乙烯為支撐材料，分別采用直接混合法和分層插入法制備定形相變墻體。顏家桃等[2]利用溶膠-凝膠工藝制備出了有機/無機復合相變蓄熱材料。尹輝斌等[3]選取膨脹石墨作為無機支撐材料，石蠟作為有機相變材料，制備復合相變材料。尚建麗等[4]采用界面聚合的方法制備出以相變石蠟為囊芯、聚氨酯為囊壁的微膠囊。楊穎和閆洪遠等[5]制備了癸酸與月桂酸的低共熔復合相變材料，選用膨脹珍珠巖作為基質，用直接浸泡法制得復合建筑材料。傅浩等[6]利用固體石蠟與液體石蠟熔融制得二元復合相變材料，將多孔超輕陶粒和高性能吸附劑作為基體吸附相變材料，將其用于水泥的試制。Min Li等[7]利用溶液插層法制備石蠟與膨潤土復合相變材料。Sedat Karaman等[8]利用空隙結合法制備聚乙二醇與硅藻土混合的新型相變復合材料。Biwan Xu和Zongjin Lin[9]通過摻混法利用由石蠟與硅藻土復合而成的相變材料開發(fā)了熱能儲存水泥基復合材料。孟多和王立久[10]采用溶膠-膠凝法一步制備出納米級復合定形相變蓄熱材料。吳其勝等[11]采用真空吸附法制備相變材料不同質量分數的二元有機低共熔物（CA-H）/膨脹石墨復合相變儲能材料。鄧安仲等[12]采用溶膠-凝膠法制備了以二氧化硅為載體的復合有機相變顆粒材料，配制了相變石膏砂漿。閆全英等[13]利用摻混法制備了不同摻量石蠟與水泥砂漿混合的相變墻體，并與普通水泥砂漿墻體的熱性能進行對比。胡大為等[14]通過采用微乳化技術，將水分散于常溫相變儲能石蠟中；應用膜孔法，以海藻酸鈉包封常溫相變石蠟，制得儲能微囊；將微囊與石膏基體復合后，制備得到儲能建筑材料。建筑材料有很多種，其中常見的包括砌塊、混凝土等結構材料，陶瓷、硅鈣板、石膏板等裝飾材料，聚氨酯、珍珠巖、擠塑聚苯板等保溫材料以及其他材料等。適用于本吸收實驗的基體材料一般應為多孔材料。本次實驗選取多孔板材石膏板、硅鈣板、擠塑聚苯板為建筑基體材料。石膏板具有隔聲隔熱、生產能耗低、加工方便、環(huán)保并且節(jié)省空間等特點；硅鈣板具有良好的隔聲、隔熱性能，在室內空氣潮濕時能吸收空氣中水分子，空氣干燥時又能釋放水分子，可以調節(jié)室內干濕度；擠塑聚苯板具有優(yōu)異且持久的隔熱保溫性、優(yōu)越的抗水防潮性、防腐蝕經久耐用性。

本文采用直接浸泡法，選取3種常用建筑材料作為基體材料，3種二元混合物作為相變材料，制備了相變儲能建筑材料，研究基體材料對相變材料吸收量的容留率的變化規(guī)律。

1 實驗

1.1 原材料

相變材料采用癸酸、硬脂酸、肉豆蔻酸、48#固體石蠟、液體石蠟，均為國藥集團化學試劑有限公司生產。建筑基體材料規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm的多孔石膏板、硅鈣板、擠塑聚苯板。

1.2 實驗過程

實驗以65%固體石蠟+35%液體石蠟、70%癸酸+30%硬脂酸、70%肉豆蔻酸+30%癸酸3種二元混合物作為相變材料，采用直接浸泡法制備相變儲能建筑材料。浸泡時間選取10 min、30 min、1 h、2 h、3 h、4 h，浸泡溫度選為 50、60、70 ℃，分別測試石膏板、硅鈣板、擠塑聚苯板在不同二元相變材料混合物、不同浸泡溫度、不同浸泡時間時的容留率。

實驗中，將相變材料置于恒溫水浴中，待相變材料全部融化并穩(wěn)定一段時間后，將已稱重并編號的建筑基體材料放入相變材料中，按設定的時間浸泡之后稱重記錄，計算不同板材在不同酸中浸泡后的容留率。

2 結果與分析

基體材料對相變材料的吸收量可以用容留率表征[15]。3種基體材料在不同相變材料中浸泡后的容留率如圖1～圖3所示。

圖1 石膏板在不同相變材料中浸泡后的容留率

圖2 硅鈣板在不同相變材料中浸泡后的容留率

圖3 擠塑聚苯板在不同相變材料中浸泡后的容留率

從圖1～圖3可以看出，浸泡試驗中的前10 min，多孔基體建筑材料對相變材料的容留率迅速增大，隨后容留率隨時間的延長仍趨于上升，但變化較小。多數情況下，浸泡溫度越高，相變材料的容留率越大；硅鈣板在石蠟混合物中浸泡時，與其它材料容留率變化規(guī)律有所不同，在相同的浸泡時間內，浸泡溫度越高，容留率越小。

隨著浸泡時間的延長，基體材料對于相變材料的吸收趨于飽和，容留率增加不明顯，浸泡溫度對容留率的影響變弱，在相同浸泡時間內，浸泡溫度升高后基體材料的容留率增加不明顯。

基體建筑材料吸收2種脂肪酸混合物的容留率相近，而對石蠟混合物吸收的容留率小于對脂肪酸的吸收；3種基體材料對相變材料吸收的容留率大小為：擠塑聚苯板＞石膏板＞硅鈣板。

擠塑聚苯板在相變材料溶液中吸收時，出現了一定的溶解裂紋，其原因是由于擠塑聚苯板的主要原材料聚苯乙烯樹脂在高級脂肪酸中會發(fā)生溶脹現象。高溫使聚苯乙烯發(fā)生熱變形，加劇聚苯板的溶解裂紋產生，在70℃的浸泡溫度中，浸泡30 min后擠塑聚苯板表面即開始出現溶解裂紋。

由于擠塑聚苯板內部為封閉的氣孔結構，當發(fā)生溶解裂紋后，封閉的氣孔結構遭到破壞，相變材料能夠大量進入聚苯板內部，這些脂肪酸類相變材料又會繼續(xù)使聚苯板內部發(fā)生溶解，從而產生連鎖的溶脹效應。所以浸泡時間越長，溫度越高，吸附的相變材料越多，容留率越大。

基體建筑材料在相變材料溶液中浸泡一段時間后，容留率變化曲線趨于平緩，容留率隨時間延長增加不明顯，而浸泡溫度的升高并未使容留率顯著增加。綜合考慮經濟性和可操作性等因素，多孔基體材料在相變材料中浸泡吸收時以浸泡溫度50℃、浸泡時間1 h為宜。

由于擠塑聚苯板脂肪酸相變材料中出現溶脹，將對擠塑板使用產生影響，所以擠塑聚苯板不適宜在脂肪酸類相變材料中進行浸泡吸收。

3 結論

（1）基體材料對相變材料的容留率隨著浸泡時間的延長而增大，時間繼續(xù)延長，相變材料容留率的增加值變小，浸泡時間取1 h為宜。

（2）基體材料對相變材料的容留率受浸泡溫度的影響較小，浸泡溫度取50℃為宜。

（3）3種多孔基體材料對石蠟混合物吸收的容留率小于對脂肪酸吸收的容留率；擠塑聚苯板對相變材料吸收的容留率最大，其次是石膏板，硅鈣板對相變材料吸收的容留率最小。

（4）擠塑聚苯板在脂肪酸中浸泡時出現溶脹裂紋，浸泡溫度越高，溶脹裂紋越明顯，因此，擠塑聚苯板不適宜在脂肪酸類相變材料中進行浸泡吸收。

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