相變儲(chǔ)能石膏基材料制備及性能研究

徐雷鳴

摘要：相變儲(chǔ)能石膏基材料，主要是以石膏為載體，癸酸和月桂酸二元混合酸為相變材料。文章采SEM、DSC-～iN試手段對(duì)儲(chǔ)能墻板的微孔形貌、熱性能特征進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)還測(cè)試了相變儲(chǔ)能石膏板的儲(chǔ)熱調(diào)溫性能和相變循環(huán)耐久性。

關(guān)鍵詞：相變儲(chǔ)能；石膏基材料；制備；性能

相變材料在發(fā)生相變過程中以吸收和釋放熱量的方式實(shí)現(xiàn)熱量的儲(chǔ)存和釋放。相變材料在多項(xiàng)工程中的應(yīng)用，可以使建筑物具有一定的儲(chǔ)熱能力，有助于建筑物內(nèi)部溫度的調(diào)控，滿足環(huán)保和低碳的要求。

1.相變儲(chǔ)能石膏基材料制備工藝的確定

1.1浸漬溫度的確定

本實(shí)驗(yàn)浸漬環(huán)境為常壓，浸漬時(shí)間為10min，70℃時(shí)的容留量是50%時(shí)的3.4倍，浸漬溫度對(duì)普通紙面石膏板的容留量影響較小。從趨勢(shì)來看，浸漬溫度為70℃的容留量較50%容留量大。由于70℃時(shí)溫度比較高，石膏板的表面吸附能比較大，相變材料的內(nèi)部分子更為活躍，吸附量自然要大些。因此，在條件允許的情況下浸漬溫度宜優(yōu)先選用70℃。

1.2浸漬時(shí)間的確定

根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)本實(shí)驗(yàn)選取10min，30min，1h和2h四個(gè)時(shí)間，浸漬環(huán)境為常壓，浸漬溫度為70%。隨著浸漬時(shí)間的增加，容留量逐漸增大；但是增加的幅度不一樣大，在30min-1h直線的斜率最大，1h-2h的斜率又下降了，所以可以判斷出浸漬時(shí)間為1h最好。出現(xiàn)這種狀況的原因可能是隨著浸漬時(shí)間的增加相變材料會(huì)發(fā)生泄漏。

1.3浸漬環(huán)境的確定

不論何種基體材料，負(fù)壓環(huán)境下的容留量約為常壓環(huán)境下的兩倍。因此，在條件允許的情況下宜選擇負(fù)壓浸漬環(huán)境。這是由于在負(fù)壓的環(huán)境下，石膏板內(nèi)部的孔為真空狀態(tài)更易吸入相變材料。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定制備石膏基相變儲(chǔ)熱材料的工藝條件：浸漬溫度：70℃，浸漬環(huán)境：負(fù)壓，浸漬時(shí)間：1h。

1.4儲(chǔ)熱調(diào)溫性能測(cè)試

制備兩個(gè)體積大小完全相同的圓柱形石膏試樣，成型時(shí)，在試樣中心位置預(yù)埋溫度傳感器；養(yǎng)護(hù)后，40℃下烘至絕干。將其中1個(gè)試樣浸滲至液態(tài)相變材料中，制備相變建筑石膏構(gòu)件。將2個(gè)預(yù)埋有溫度傳感器的石膏試樣放入17℃的恒溫環(huán)境中，待試樣溫度達(dá)到17℃后，再將試樣放置于35%的恒溫環(huán)境中，通過試樣中預(yù)埋的溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，得到試樣升溫控制曲線；測(cè)試畢，再將試樣從35℃恒溫環(huán)境中取出，放入17℃恒溫環(huán)境下，記錄試樣在降溫過程中的溫度變化，得到試樣降溫控制曲線。

1.5熱穩(wěn)定性分析

將制備的相變石膏板放入45℃干燥箱中加熱30min，其后再將其放置于10%環(huán)境下冷卻處理30min，即完成1次相變循環(huán)。每次循環(huán)均采用濾紙吸去滲出于石膏板表面的相變材料。如此反復(fù)進(jìn)行250次相變循環(huán)，根據(jù)相變材料的滲出情況表征相變石膏板的熱穩(wěn)定性。

2.石膏基相變儲(chǔ)熱材料的容留量分析

2.1不同種類石膏基體和儲(chǔ)熱配方對(duì)容留量的影響

基體材料對(duì)容留量的影響較大，普通紙面石膏板的容留量是脫硫石膏板的兩倍多；相變材料組分對(duì)容留量幾乎沒什么影響，當(dāng)癸酸比例超過40%后，相變材料組分對(duì)容留量的影響不超過3%。由于脫硫石膏板更為密實(shí)得多，故普通紙面石膏板的容留量高得多。

2.2表面活性劑對(duì)容留量的影響

根據(jù)文獻(xiàn)分析得知，本實(shí)驗(yàn)選取PVA（其摻量為相變材料的10%）和硬脂酸鈉（摻量為2%）作為表面活性劑進(jìn)行研究。表面分散劑可以提高材料的容留量，其中摻2%硬脂酸鈉的影響較10%PVA大。由于硬脂酸鈉是離子表面活性劑，與石膏板塊可以互相進(jìn)行交換，而聚乙烯醇是非離子表面活性劑，因此硬脂酸鈉更多地附在石膏板表面，從而提高其容留量。

3.相變儲(chǔ)能石膏基材料制備性能分析

3.1SEM分析

圖1所示為浸滲前后石膏板的SEM照片。從浸滲前的SEM照片可以看出，石膏晶體呈針狀，且互相搭接交錯(cuò)。微觀條件下，可以明顯的看出石膏板內(nèi)存在著大量微米級(jí)孔結(jié)構(gòu)。浸滲后，相變材料可以有效填充于石膏板的微孔結(jié)構(gòu)中。

3.2滲出穩(wěn)定性分析

擴(kuò)散一滲出圈法測(cè)試原理是測(cè)試相變儲(chǔ)能材料滲出圈的平均直徑超出測(cè)試區(qū)域直徑的百分比，一般認(rèn)為擴(kuò)散一滲出圈百分比小于15%，即可認(rèn)為是穩(wěn)定的。隨著吸附量的增大，相變石膏板的滲出程度不斷增大。當(dāng)石膏板的吸附量約小于22%時(shí)，其滲出穩(wěn)定性較好。

3.3儲(chǔ)熱調(diào)溫性能分析

純石膏試樣的升溫速率明顯要大于相變石膏試樣的升溫速率，純石膏從17℃至35℃所需時(shí)間為14400s，即4h；相變石膏試樣所需時(shí)間為19463s，約5.4h，相變石膏試樣耗時(shí)要比純石膏試樣耗時(shí)長(zhǎng)約1.4h。通過分析得知，純石膏試樣降溫速率與相變石膏試樣相比較快，僅需約6000s（約1.67h），就降溫至17℃，而相變石膏試樣直到14000s（約4h）后才降溫至預(yù)設(shè)溫度，整整延遲了約2.22h。相變石膏試樣在降溫過程中出現(xiàn)了輕微的過冷現(xiàn)象，但并不影響其使用。采用物理浸漬法制備相變儲(chǔ)能石膏材料可以提高單位體積石膏的潛熱儲(chǔ)熱量。當(dāng)溫度升溫至相變溫度點(diǎn)時(shí)，石膏孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的相變材料會(huì)發(fā)生固一液相變，利用其自身潛熱將部分熱量?jī)?chǔ)能起來，直到完成固一液相變后，溫度才得以繼續(xù)上升。溫度下降后，被儲(chǔ)存起來的潛熱又能夠重新釋放出來，對(duì)試樣溫度進(jìn)行補(bǔ)充。相變儲(chǔ)能石膏試樣良好的儲(chǔ)放熱性能能夠?qū)崿F(xiàn)熱量在時(shí)間和空間上的轉(zhuǎn)移，有效降低溫度的波動(dòng)幅度，具有較好的控溫特性。

3.4DSG分析

相變儲(chǔ)能石膏板的相變溫度范圍為24.0-30.1℃，與相變材料相變溫度范圍23.7-29.6℃相差不大。相變材料的相變潛熱為137.9J/g，根據(jù)石膏基體和脂肪酸相變材料的質(zhì)量比5：1，得到相變儲(chǔ)能石膏板的理論潛熱為22.98J/g。實(shí)際測(cè)量值為22.5J/g，與理論值接近。因此，采用物理浸漬法制備相變儲(chǔ)能石膏板，脂肪酸相變材料的熱性能沒有受到影響。

3.5熱穩(wěn)定性分析

制備相變材料容留量為20%的相變石膏板，通過分析可知，隨著相變循環(huán)次數(shù)的增大，相變材料的滲出量逐漸增大。但250次相變循環(huán)后，相變石膏板質(zhì)量損失率僅為2.5%，石膏板表面無相變材料滲出的油膩感，說明浸滲法制備的相變儲(chǔ)能石膏板熱穩(wěn)定性良好，具有良好的相變循環(huán)耐久性。

4.結(jié)語

在相變儲(chǔ)能石膏基材料制備的過程中，文章采用物理浸漬法制備，對(duì)制備的相變儲(chǔ)能石膏板的滲出穩(wěn)定性、儲(chǔ)熱調(diào)溫特性以及相變循環(huán)使用耐久性進(jìn)行了測(cè)試和表征。相變材料可以有效填充于石膏板的微孔結(jié)構(gòu)中，幫助工程實(shí)現(xiàn)環(huán)保、低碳的要求。