基于傅里葉紅外光譜的SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析及性能優(yōu)選預(yù)測(cè)

尚建麗， 張 浩， 熊 磊， 麻向龍

西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院， 陜西 西安 710055

基于傅里葉紅外光譜的SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析及性能優(yōu)選預(yù)測(cè)

尚建麗， 張 浩*， 熊 磊， 麻向龍

西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院， 陜西 西安 710055

以SiO2為載體材料、 脂肪酸為相變材料制備具有相變調(diào)溫性能與儲(chǔ)濕調(diào)濕性能的SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料。 采用等溫吸放濕法和步冷曲線(xiàn)法測(cè)試不同脂肪酸用量的SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料相變調(diào)溫性能與儲(chǔ)濕調(diào)濕性能。 利用傅里葉紅外光譜測(cè)試SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組成， 分析SiO2與脂肪酸的嵌合機(jī)理。 以SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的傅里葉紅外光譜特征吸收峰作為輸入層， 以SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的脂肪酸用量、 相對(duì)濕度52.89%下SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料吸濕平衡含濕量與放濕平衡含濕量的平均值、 SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料從30～15 ℃降溫所需的時(shí)間作為輸出層， 以S型激活函數(shù)作為隱含層， 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立結(jié)構(gòu)參數(shù)與綜合相變儲(chǔ)濕性能的SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料性能優(yōu)選預(yù)測(cè)模型。 結(jié)果表明， SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料中SiO2與脂肪酸僅為物理嵌合， 未發(fā)生化學(xué)作用； 當(dāng)脂肪酸用量0.079 mol時(shí)， 所制備的SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料具有最優(yōu)的綜合相變儲(chǔ)濕性能， 即在相對(duì)濕度52.89%下的吸濕平衡含濕量為0.132 3 g·g-1、 放濕平衡含濕量0.147 5 g·g-1、 平衡含濕量的平均值為0.139 9 g·g-1， 從30～15 ℃降溫所需的時(shí)間為1 305 s； SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能優(yōu)選預(yù)測(cè)模型吻合性較好， 具有較高的精確度， 其預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差為-2.07%和2.45%， 可以用于優(yōu)選預(yù)測(cè)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能和相變調(diào)溫性能。

傅里葉紅外光譜； 相變儲(chǔ)濕； 復(fù)合材料； 結(jié)構(gòu)分析； 性能預(yù)測(cè)

引 言

相變材料和無(wú)機(jī)多孔材料因具有良好的“被動(dòng)調(diào)節(jié)能力”已經(jīng)成為建筑節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)[1-3]， 其中相變材料具有的相變調(diào)溫性能和無(wú)機(jī)多孔材料具有的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能可以有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境溫度和濕度， 降室內(nèi)溫度和濕度的波動(dòng)范圍， 改善室內(nèi)環(huán)境舒適度， 降低建筑能耗。

近年來(lái)， 以低廉的多孔無(wú)機(jī)材料SiO2作為載體， 與適宜建筑相變溫度的脂肪酸復(fù)合， 制備SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料。 既利用SiO2具有的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 對(duì)脂肪酸的有效固定， 保護(hù)在相變過(guò)程中不被損耗， 提高其相變調(diào)溫性能， 又可以利用SiO2網(wǎng)絡(luò)空隙結(jié)構(gòu)， 發(fā)揮其儲(chǔ)濕調(diào)濕性能， 同時(shí)還能滿(mǎn)足與無(wú)機(jī)建筑材料之間的相容性要求。 目前對(duì)于SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的研究多關(guān)注于制備方法和性能測(cè)試[4-7]， 而對(duì)于SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)， 以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能關(guān)聯(lián)的研究未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。 本文以SiO2作為載體、 脂肪酸(癸酸-棕櫚酸)作為相變材料的SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料為研究對(duì)象， 利用傅里葉紅外光譜研究脂肪酸用量對(duì)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律， 從微觀的層面揭示SiO2與脂肪酸的嵌合機(jī)理； 同時(shí)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型， 建立SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)與綜合相變儲(chǔ)濕性能的優(yōu)選預(yù)測(cè)模型， 研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能的關(guān)系。 以期為SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能提高和優(yōu)化制備研究提供理論依據(jù)和有價(jià)值借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4)、 無(wú)水酒精(CH3CH2OH)、 癸酸(CH3(CH2)8CO(OH))、 棕櫚酸(C16H32O2)、 鹽酸(HCl)、 氨水(NH3·H2O)均為分析純， 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。 實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。 精密電子天平(日本島津公司AUW120D型)， 精度為0.000 01 g； 超聲波細(xì)胞破碎儀(寧波新芝生物科技股份有限公司JY92-Ⅱ型)； 真空恒溫干燥箱(廣州滬瑞明儀器有限公司DZ-2BCⅡ型)； 恒溫水浴鍋(上海比朗儀器有限公司)； 恒溫磁力攪拌器(金壇岸頭國(guó)瑞實(shí)驗(yàn)儀器廠85-2數(shù)顯)； 實(shí)驗(yàn)室PH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司PHS-25型)； 電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京和同創(chuàng)業(yè)科技有限責(zé)任公司101-2AB型)熱電偶(臺(tái)灣群特公司CENTER304/309型)。

1.2 方法

1.2.1 材料制備

①將癸酸和棕櫚酸按質(zhì)量分?jǐn)?shù)85.5 W%/14.5 W%的比例混合并稱(chēng)量放入燒杯中， 在60 ℃水浴條件下溶解并攪拌2 h使其分散均勻， 得到作為相變材料的脂肪酸(癸酸-棕櫚酸)。 ②將0.15 mol的正硅酸乙酯與0.75 mol的無(wú)水乙醇和1.35 mol的去離子水依次稱(chēng)量加入燒杯中， 用恒溫磁力攪拌器在中速、 60 ℃水浴條件下攪拌10 min， 將得到的混合液放入超聲波功率為200 W的超聲波細(xì)胞破碎儀中分散15 min， 用鹽酸和氨水調(diào)整混合液到相應(yīng)的pH值為4后繼續(xù)放到超聲波功率為200 W的超聲波細(xì)胞破碎儀中分散15 min后取出， 得到作為載體材料的SiO2溶膠。 ③分別將不同用量的脂肪酸， 即0.00， 0.03， 0.06， 0.09， 0.12和0.15 mol加入到SiO2溶膠中用恒溫磁力攪拌器在高速、 60 ℃水浴條件下攪拌15 min后再一次放入超聲波功率為200 W的超聲波細(xì)胞破碎儀中分散45 min使相變材料均勻的分散， 使其嵌入到SiO2載體材料中， 將得到的水溶膠放到60 ℃恒溫水浴鍋中陳化得到凝膠， 再將凝膠放在干燥箱中80 ℃烘干8 h得到SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料。

1.2.2 儲(chǔ)濕調(diào)濕性能測(cè)試

采用等溫吸放濕法測(cè)試SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能， 其測(cè)試步驟如下： ①稱(chēng)取5 g試樣置于干燥箱中干燥， 當(dāng)試樣間隔24 h的3次連續(xù)稱(chēng)量質(zhì)量差小于0.1%時(shí)則認(rèn)為試樣完全干燥。 ②將干燥后的試樣放置在干燥皿中飽和鹽溶液擋板的上方， 當(dāng)某一相對(duì)濕度條件下， 試樣間隔24 h的3次連續(xù)稱(chēng)量質(zhì)量差小于0.1%時(shí)則認(rèn)為試樣吸濕達(dá)到平衡， 然后將試樣放置在另一相對(duì)濕度環(huán)境中。 ③重復(fù)步驟②， 周期稱(chēng)量試樣在每種濕度環(huán)境中達(dá)到平衡后的質(zhì)量并記錄。 上述測(cè)試過(guò)程共有5種相對(duì)濕度環(huán)境(見(jiàn)表1)， 變化范圍為32.78%～75.29%。 放濕試驗(yàn)步驟同上。u為試樣平衡含濕量， g·g-1， 表示SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能強(qiáng)弱， 其具體計(jì)算見(jiàn)式(1)

(1)

式中：m0為干燥狀態(tài)下試樣的質(zhì)量， g；m為吸放濕后的試樣質(zhì)量， g。

1.2.3 相變調(diào)溫性能測(cè)試

采用步冷曲線(xiàn)法測(cè)試SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的相變調(diào)溫性能， 其測(cè)試步驟如下： 稱(chēng)取2.5 g試樣放入試管， 將熱電偶的溫度探頭沒(méi)入試樣中(注意： 在對(duì)多個(gè)樣品分別進(jìn)行測(cè)試時(shí)， 熱電偶的溫度探頭沒(méi)入位置應(yīng)保持一致)， 將試管放入40 ℃水浴中， 待試樣溫度升至30 ℃， 取出試管放入10 ℃水浴中， 待試樣溫度降至15 ℃。 30～15 ℃降溫過(guò)程中熱電偶每5 s對(duì)試樣的溫度采點(diǎn)一次， 然后作圖， 用30～15 ℃降溫過(guò)程所需的時(shí)間表示SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的相變調(diào)溫性能強(qiáng)弱。

表1 飽和鹽溶液的相對(duì)濕度(25 ℃)

1.2.4 紅外光譜分析

采用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)組成。 傅里葉變換紅外光譜儀(德國(guó)BRUKER光譜儀器公司BRUKER UECIOR22型)， 含水平衰減全反射(HA-TR)附件， 光譜范圍4 000～450 cm-1， 分辨率4 cm-1， 掃描累加次數(shù)64。

1.3 模型建立方法

由于SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能呈現(xiàn)一定的非線(xiàn)性， 采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)回歸等方法較難建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。 而B(niǎo)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的處理非線(xiàn)性問(wèn)題的能力， 建立模型時(shí)無(wú)需對(duì)研究對(duì)象作任何假設(shè)， 可以任意逼近刻劃樣本特性的函數(shù)并能自動(dòng)考慮材料各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互作用， 是處理非線(xiàn)性系統(tǒng)的有利工具[8]。 同時(shí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是從樣本出發(fā)， 對(duì)未知函數(shù)集進(jìn)行非線(xiàn)性擬合的一種網(wǎng)絡(luò)計(jì)算法， 具有逼近能力強(qiáng)， 訓(xùn)練算法簡(jiǎn)單明確、 計(jì)算量小、 并行性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[9]。 因此， 本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能優(yōu)選預(yù)測(cè)模型， 其步驟如下： ①輸入層節(jié)點(diǎn)的確定， 根據(jù)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的紅外光譜中各以各特征吸收峰變化情況進(jìn)行確定， 本模型以各特征吸收峰的強(qiáng)度(透光度)作為模型的輸入節(jié)點(diǎn)。 ②輸出層節(jié)點(diǎn)的確定， 根據(jù)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料需要預(yù)測(cè)的性能進(jìn)行確定， 本模型以脂肪酸用量、 儲(chǔ)濕調(diào)濕性能和相變調(diào)溫性能作為模型的輸出層點(diǎn)。 ③隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定， 由于沒(méi)有明確的計(jì)算方法， 一般采用經(jīng)驗(yàn)公式確定隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)的范圍[10]， 即J=(n+m)(1/2)+a， 其中：J為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)；m為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；a的取值范圍為1～10。 ④傳遞函數(shù)及算法的確定， 利用newff函數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)， 其中輸入層和隱含層選用tansig函數(shù)作為傳遞函數(shù)， 輸出層選用purelin函數(shù)作為傳遞函數(shù)， 同時(shí)采用Levenberg-Marquardt算法作為模型的誤差算法。

2 結(jié)果與討論

2.1 儲(chǔ)濕調(diào)濕性能分析

從圖1可知， SiO2具有良好的吸放濕性能， 在舒適濕度范圍40%～65%之間的吸濕平衡含濕量為0.078 5～0.128 5 g·g-1， 放濕平衡含濕量為0.089 3～0.145 8 g·g-1[圖1(a)]。 隨著SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料中脂肪酸用量的增加[圖1(b)—(f)]， SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料平衡含濕量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)， 說(shuō)明脂肪酸用量的增加不利于SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能。 可能是因?yàn)橹舅嵊昧康脑黾訉?dǎo)致SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料中載體材料SiO2包裹相變材料脂肪酸的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。 進(jìn)一步分析圖1可知， 在吸濕過(guò)程和放濕過(guò)程中SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的平衡含濕量變化趨勢(shì)與SiO2的平衡含濕量變化趨勢(shì)基本一致， 都存在顯著的吸放濕滯后環(huán)， 這是典型的無(wú)機(jī)多孔材料的吸放濕特征， 從而說(shuō)明SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能取決于載體材料SiO2。

圖1 不同脂肪酸用量對(duì)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料平衡含濕量的影響

圖2 不同脂肪酸用量對(duì)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料步冷曲線(xiàn)的影響

2.2 相變調(diào)溫性能分析

從圖2可知， SiO2的步冷曲線(xiàn)在降溫過(guò)程中呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)性變化[圖2(a)]， 說(shuō)明作為載體材料的SiO2不具有潛熱性能。 隨著SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料中脂肪酸用量的增加[圖2(b)—(f)]， SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料步冷曲線(xiàn)的降溫時(shí)間呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)， 說(shuō)明脂肪酸用量的增加可以有效地抑制溫度的下降， 從而證明了SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的相變調(diào)溫性能取決于相變材料脂肪酸。 這是因?yàn)樵跍囟认陆档倪^(guò)程中， 脂肪酸發(fā)生液-固相變過(guò)程釋放出潛熱， 從而有效緩解溫度的下降。 進(jìn)一步分析圖2， 還可以看出SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料在溫度降至20～23 ℃附近出現(xiàn)明顯的相變平臺(tái)， 說(shuō)明其相變溫度滿(mǎn)足人體舒適溫度區(qū)間要求， 適合在建筑領(lǐng)域應(yīng)用。

2.3 紅外光譜分析

圖3 SiO2和脂肪酸的FTIR測(cè)試結(jié)果

圖4 FTIR測(cè)試結(jié)果

2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

2.4.1 模型的訓(xùn)練

為了檢驗(yàn)擬合數(shù)據(jù)與計(jì)算的精度， 選擇脂肪酸用量為0.03， 0.06， 0.09， 0.12和0.15 mol的SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料作為訓(xùn)練樣本， 設(shè)定最大訓(xùn)練次數(shù)和目標(biāo)誤差分別為10 000次和0.000 01， 對(duì)10-S-3型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練誤差大于目標(biāo)誤差時(shí)， 重新調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或重新選擇訓(xùn)練參數(shù)來(lái)進(jìn)行新的訓(xùn)練， 直到小于目標(biāo)誤差時(shí)結(jié)束訓(xùn)練。 最后當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為12， 經(jīng)過(guò)12次訓(xùn)練后網(wǎng)絡(luò)達(dá)到了目標(biāo)誤差， 其誤差為0.000 000 891 634。

2.4.2 模型的優(yōu)選預(yù)測(cè)

為了保證模型的優(yōu)選預(yù)測(cè)精度， 需要根據(jù)所選因子的取值范圍對(duì)模型各因素利用逐項(xiàng)密集掃描技術(shù)采值作為模型的預(yù)測(cè)樣本。 即利用計(jì)算機(jī)對(duì)3個(gè)輸入層節(jié)點(diǎn)依次取值， 并且自動(dòng)剔除不符合要求的數(shù)據(jù)， 將選取的預(yù)測(cè)樣本直接輸入模型進(jìn)行優(yōu)選預(yù)測(cè)， 設(shè)定最大訓(xùn)練次數(shù)和目標(biāo)誤差分別為10 000次和0.000 01。 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選模型， 獲得SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能優(yōu)選預(yù)測(cè)結(jié)果為SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的脂肪酸用量0.079 mol、 相對(duì)濕度52.89%下SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料吸濕平衡含濕量與放濕平衡含濕量的平均值0.142 8 g·g-1、 SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料從30～15 ℃降溫所需的時(shí)間1 273 s。

以SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能優(yōu)選預(yù)測(cè)結(jié)果， 即SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的脂肪酸用量0.079 mol， 根據(jù)1.2.1制備脂肪酸用量為0.079 mol的優(yōu)選SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料， 同時(shí)根據(jù)1.2.2， 1.2.3和1.2.4獲得其儲(chǔ)濕調(diào)濕性能(圖5)、 相變調(diào)溫性能(圖6)和紅外光譜(圖7)。

圖5 優(yōu)選SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的平衡含濕量

Fig.5 Equilibrium moisture content of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials is optimized

圖6 優(yōu)選SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的步冷曲線(xiàn)

Fig.6 Cooling curves of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials is optimized

圖7 優(yōu)選SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的FTIR測(cè)試結(jié)果

Fig.7 FTIR measurement result of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials is optimized

從圖5和圖6可知， 對(duì)比當(dāng)脂肪酸用量0.06和0.09 mol時(shí)， SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能， 優(yōu)選SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能降低， 相變調(diào)溫性能增加。 從圖7可以看出， 優(yōu)選SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的傅里葉紅外光譜中， 其特征吸收峰的種類(lèi)沒(méi)有改變， 只是位置或強(qiáng)度發(fā)生轉(zhuǎn)移或變化。

2.5 綜合相變儲(chǔ)濕性能分析

根據(jù)圖1、 圖2、 圖5和圖6可知， 隨著脂肪酸用量的增加， SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能與相變調(diào)溫性能呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。 為了研究SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的綜合相變儲(chǔ)濕性能Y=Y1+Y2(見(jiàn)表2)， 分別對(duì)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能與相變調(diào)溫性能進(jìn)行歸一化處理， 即Y1(儲(chǔ)濕調(diào)濕性能)為選取相對(duì)濕度52.89%下， SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料吸濕平衡含濕量與放濕平衡含濕量的平均值， 經(jīng)歸一化處理；Y2(相變調(diào)溫性能)為選取從30～15 ℃， SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料所需的降溫時(shí)間， 經(jīng)歸一化處理。

表2 SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的綜合性能

從表2可知， 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能優(yōu)選預(yù)測(cè)模型， 其預(yù)測(cè)在相對(duì)濕度52.89%下的平衡含濕量的平均值為0.142 8 g·g-1， 從30～15 ℃降溫所需的時(shí)間為1 273 s。 以?xún)?yōu)選結(jié)果(脂肪酸用量0.079 mol)制備優(yōu)選SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 其在相對(duì)濕度52.89%下的吸濕平衡含濕量為0.132 3 g·g-1、 放濕平衡含濕量0.147 5 g·g-1、 平衡含濕量的平均值為0.139 9 g·g-1， 從30～15 ℃降溫所需的時(shí)間為1 305 s， 具有最優(yōu)的綜合相變儲(chǔ)濕性能Y為1.780 7。 說(shuō)明所建立SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能優(yōu)選預(yù)測(cè)模型， 其預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差為-2.07%和2.45%， 對(duì)優(yōu)選預(yù)測(cè)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能具有較高的精確度。

3 結(jié) 論

(1)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料中載體材料SiO2與相變材料脂肪酸僅為是物理嵌合， 未發(fā)生化學(xué)作用； 同時(shí)由于分子振動(dòng)時(shí)偶極矩變化和相界面阻隔效果， 導(dǎo)致當(dāng)脂肪酸用量變化時(shí)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料紅外光譜中SiO2和脂肪酸的特征吸收峰強(qiáng)度變化。

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 優(yōu)選SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料(脂肪酸用量0.079 mol)在相對(duì)濕度52.89%下的吸濕平衡含濕量為0.132 3 g·g-1、 放濕平衡含濕量0.147 5 g·g-1、 平衡含濕量的平均值為0.139 9 g·g-1， 從30～15 ℃降溫所需的時(shí)間為1 305 s， 具有最優(yōu)的綜合相變儲(chǔ)濕性能Y為1.780 7。

(3)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的性能優(yōu)選預(yù)測(cè)模型， 其預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差為-2.07%和2.45%， 說(shuō)明10-S-3型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇正確， 具有較高的精確度， 可以用于優(yōu)選預(yù)測(cè)SiO2基相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料的儲(chǔ)濕調(diào)濕性能和相變調(diào)溫性能。

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*Corresponding author

Structural Analysis and Optimization Performance Forecast of SiO2-Based Phase Change and Humidity Storage Composite Materials with Fourier Transform Infrared Spectrum

SHANG Jian-li， ZHANG Hao*， XIONG Lei， MA Xiang-long

College of Materials & Mineral Resources, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China

SiO2-based phase change and humidity storage composite materials with phase change thermal control performance and humidity storage humidity control performance were made with SiO2as the carrier and fatty acid as a phase change material. Phase change thermal control performance and humidity storage humidity control performance of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials with different fatty acid content were tested with isothermal sorption method and cooling curve method. Composition structure of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials were tested by Fourier transform infrared spectrum to analyze chimeric mechanism of SiO2and fatty acid. Characteristic FTIR absorption peaks of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials were considered as input layer; different fatty acid content of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials, average values of absorption equilibrium moisture content and desorption equilibrium moisture content of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials with relative humidity as 52.89%, and cooling time from 30 to 15 ℃ of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials were seen as output layer respectively; S activation function was treated as hidden layer; then, optimization performance forecast model of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials with structural parameters and phase change and humidity storage comprehensive performance was established by back-propagation neural network. The results showed that SiO2and fatty acid are only physical chimeric to each other, while there is no chemical reaction between them. SiO2-based phase change and humidity storage composite materials by adding in 0.079 mol fatty acid has the best phase change and humidity storage comprehensive performance, that is, absorption equilibrium moisture content is 0.132 3 g·g-1, desorption equilibrium moisture content is 0.147 5 g·g-1, average value of equilibrium moisture content is 0.139 9 g·g-1when relative humidity is 52.89%, cooling time from 30 to 15 ℃ is 1 305 s. Optimization performance forecast model of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials are proved well with good accuracy, and the relative error of predicted data and experimental data are -2.07% and 2.45%, respectively; forecast model can be used for optimizing forecast phase change thermal control performance and humidity storage humidity control performance of SiO2-based phase change and humidity storage composite materials.

Fourier transform infrared spectrum; Phase change and humidity storage; Composite materials; Structural analysis; Performance forecast

Apr. 12, 2015; accepted Aug. 8, 2015)

2015-04-12，

2015-08-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51172176)， 陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2013KTCL03-17)， 陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2012KTC-11)資助

尚建麗， 女， 1957年生， 西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院教授 e-mail: shangjianli@xauat.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: fengxu19821018@163.com

TU522.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2430-07