多元復(fù)合相變建筑墻體材料制備研究

王雪妮

?

多元復(fù)合相變建筑墻體材料制備研究

王雪妮

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712100）

針對目前國家提出的節(jié)能減排要求，結(jié)合相變儲(chǔ)能材料的特點(diǎn)，將相變材料摻入到傳統(tǒng)的水泥砂漿混凝土中，制備一種新型的墻體節(jié)能材料。對此，為實(shí)現(xiàn)對新型節(jié)能材料的制備，選取月桂酸、石蠟、膨脹珍珠巖等作為原材料，采用物理融合法對復(fù)合材料進(jìn)行制備；然后通過DCS熱分析測試、調(diào)溫能力試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度測試等方法對制備的相變材料性能進(jìn)行測試。通過上述的測試，得出隨著相變材料添加量的增加，材料的調(diào)溫性能逐步提高，其抗壓強(qiáng)度逐步減小。由此得到，在墻體材料中應(yīng)適當(dāng)加入相變材料，可極大的提升墻體溫控調(diào)節(jié)能力，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

相變材料；物理融合；調(diào)溫性能；抗壓強(qiáng)度；節(jié)能減排

隨著我國城市規(guī)模的不斷壯大，對能源的消耗也日益加大，由此帶來的能源短缺也影響著未來城市的發(fā)展。而在能源消耗中，建筑材料的消耗占到了社會(huì)總能耗的25%以上[1]。與此同時(shí)，在已經(jīng)建成的建筑物中，其中的高耗能建筑又直接占到了全部建筑的95%以上[2]。由此看出，我國建筑行業(yè)高耗能、高污染等問題相當(dāng)突出，而亟需加強(qiáng)對建筑行業(yè)環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用。而正是由于建筑行業(yè)的問題，加強(qiáng)綠色建筑、環(huán)保建筑等概念被逐步提出，并加強(qiáng)了對建筑節(jié)能材料的開發(fā)。相變材料可以通過物相之間的轉(zhuǎn)換[3]，從而達(dá)到對能量的吸收和釋放，最終完成對溫度的調(diào)節(jié)，從而使得其開始逐步進(jìn)入到公眾的視野，受到廣泛的關(guān)注，并成為目前專家和學(xué)者研究的新方向。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，相變材料在溫度調(diào)節(jié)、耐久性等方面都有很強(qiáng)的優(yōu)勢。如將相變材料應(yīng)用到室內(nèi)，可提高室內(nèi)問題的舒適性，而將相變材料投入到外墻保溫材料中，可讓整棟大量都能保持比較舒適的溫度，讓住戶感受到冬暖夏涼，以此大大降低了對電能等的消耗，明顯的提升了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有很高的研究價(jià)值。綜上，本文提出一種相變墻體材料，并對其性能進(jìn)行了測試，從而為相變材料的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原材料

在對相變墻體材料進(jìn)行制備中，以膨脹珍珠巖作為基礎(chǔ)材料，然后分別加入石蠟和月桂酸相變材料。上述三種原材料的基本性能參數(shù)見表1-3。

表1 月桂酸基本性能

表2 石蠟相變材料基本性能

表3 膨脹珍珠巖主要成分

2 試驗(yàn)方法

2.1 DCS熱性能測試

對相變材料的熱性能分析，采用差示掃描量熱計(jì)DSC，從而對制備好的相變材料溫度、潛熱以及熱穩(wěn)定性等進(jìn)行全面的分析[4]。而本實(shí)驗(yàn)則采用升溫的方式，其升溫的速率保持在 10 ℃/min。具體步驟為：

1）取5份不同的樣品，分別為含3%、5%、8%的復(fù)合相變材料的水泥砂漿、素水泥、含3%的膨脹珍珠巖的水泥砂漿；

2）將上述的樣品加入到DSC儀器中，然后以每分鐘10 ℃的速率升溫，直到試樣熔化；

3）通過繪制DSC圖像，對其熱穩(wěn)定性等進(jìn)行分析。

2.2 抗壓強(qiáng)度測試

取上述的5塊試樣，大小為30 mm×30 mm×30 mm，利用抗壓試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。計(jì)算公式為[5]：

=/（1）

其中：表示抗壓強(qiáng)度；

破壞壓力，N；

試件的承壓面積，mm2。

2.3 調(diào)溫能力試驗(yàn)

對相變材料來講，其控溫效果是其具備的一個(gè)重要性能[6]。對此，本文引入相變降溫法和水浴測試法對加入相變儲(chǔ)能材料的水泥試件進(jìn)行測試，其中相變材料降溫效果主要將3%、5%、8%等不等的含相變材料的水泥試件放入到60 ℃的烘箱中，從而查看烘箱中的溫度變化情況，進(jìn)而驗(yàn)證不同相變材料的降溫效果；同時(shí)，采用水浴測試法對相變材料中溫度-時(shí)間變化關(guān)系進(jìn)行測試。具體方法為取一定量的相變材料，將其放入到燒杯中，逐步加熱至60 ℃，在加熱過程中，每10 s記錄一次燒杯的溫度變化。另外取一對照組，不加入相變材料。同時(shí)對其溫度進(jìn)行記錄。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 DSC熱性能測試結(jié)果

根據(jù)上述的分析方法，可以得到如下的熱性能測試圖（圖1-4）。

圖1 純C12H24O2DSC 圖像

圖2 C12H24O2-膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料DSC 圖像

圖3 純石蠟DSC圖像

圖4 石蠟- 膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料 DSC 圖像

Fig.4 Paraffin and expanded perlite composite phase-change material DSC image

通過上述的結(jié)果可以看出，在采用純月桂酸的相變儲(chǔ)能材料中，其相變的溫度為43.8 ℃，相變潛熱則為170.4 J/g。而將月桂酸與膨脹珍珠巖物理融合制備的相變材料，其相變的問題為42.3 ℃，同時(shí)其相變的潛熱123.5 J/g。由此，通過這組數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過復(fù)合后制成的相變材料，其在相變溫度和相變焓方面都要比純的月桂酸要低，造成上述的結(jié)果，可能與其在最佳吸附量有很大的關(guān)系。

同樣，對純石蠟和石蠟--膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料之前在相變溫度和潛熱值方面存在著明顯的區(qū)別，并且在50～60 ℃之間達(dá)到熱峰。同時(shí)，通過對相變潛熱的比較，發(fā)現(xiàn)其相變潛熱值為純石蠟相變潛熱值的63%。由此我們可以推斷，膨脹珍珠巖對石蠟的最佳吸附量大致在63%左右。造成上述問題的一個(gè)重要原因，是因?yàn)樵谑炛蟹植贾闊N，從而的導(dǎo)致其相變潛熱的范圍很廣。

3.2 抗壓強(qiáng)度測試

圖5 抗壓強(qiáng)度測試

為測試不同相變材料濃度下水泥試件的抗壓強(qiáng)度，分別設(shè)置3%、5%、8%濃度的試件。而通過吳陶俊的研究認(rèn)為，當(dāng)摻入的相變儲(chǔ)能骨料達(dá)到10%，其抗壓強(qiáng)度則明顯降低，并且有相變復(fù)合材料的析出。因此，針對該問題，選擇上述的三種比例對水泥試件進(jìn)行制備。而通過上述的制備，利用抗壓測試儀對水泥試件抗壓強(qiáng)度的測試，可以得到如圖5所示的結(jié)果。

通過圖5的結(jié)果可以看出，隨著相變儲(chǔ)能摻量的增加，水泥試件的整體抗壓強(qiáng)度則明顯降低。其中，石蠟--膨脹珍珠巖試件的抗壓強(qiáng)度最小，而單純的加入膨脹珍珠巖的水泥試件抗壓強(qiáng)度，都要大于加入石蠟和月桂酸相變復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度。因此，通過上述的結(jié)果可以看出，單純的水泥試件和加入膨脹珍珠巖的水泥試件，其強(qiáng)度都要明顯高于加入復(fù)合儲(chǔ)能相變材料等水泥試件，其最為主要的原因則是在加入石蠟或月桂酸后，上述兩種物質(zhì)在溫度增加的情況下，其可以從固-液的轉(zhuǎn)換，在一定程度上降低了水泥試件的強(qiáng)度；同時(shí)，在研究中發(fā)現(xiàn)，摻入膨脹珍珠巖的試件的抗壓強(qiáng)度比單純的水泥試件的強(qiáng)度低9%，差距不大，而摻入其他相變儲(chǔ)能材料的抗壓強(qiáng)度與單純的水泥試件相比，其抗壓強(qiáng)度相差較大，其最為主要的原因是膨脹珍珠巖為多孔材料，其呈現(xiàn)為蜂窩狀，從而在一定程度影響了水泥試件的強(qiáng)度；另外，通過上述的分析看出，摻入月桂酸-膨脹珍珠巖相變材料的水泥試件的抗壓強(qiáng)度要高于摻入石蠟復(fù)合相變材料的水泥試件，其可能的原因是月桂酸與石蠟相比，石蠟隨著溫度的升高，其變化越快。

同時(shí)，對兩復(fù)合儲(chǔ)能相變材料進(jìn)行擠壓的過程中，都未出現(xiàn)滲漏，從而可以看出上述相變材料都具有很好的穩(wěn)定性，并證明月桂酸-膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料的抗壓強(qiáng)度比石蠟－膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料更好。

3.3 調(diào)溫性能測試

利用降溫法測得其水泥試件對周圍的溫度的影響[7,8]，具體見表4所示。

表4 不同濃度下的烘箱溫度變化

通過上述的分析可以看出，摻入月桂酸的復(fù)合相變材料在不同濃度下的溫差最大，其次為石蠟復(fù)合相變材料。由于可以看出，摻入月桂酸的水泥試件其吸熱能力要大于石蠟儲(chǔ)能材料，也證明了上述兩種復(fù)合相變材料都具有非常明顯的控溫性能。

通過圖6看出，當(dāng)溫度在43~44 ℃的時(shí)候，摻入月桂酸的復(fù)合材料中有一段水平線，是因?yàn)樵谶@個(gè)溫度下，相變材料吸收了大量的熱量，從而使得其溫度沒有出現(xiàn)大的變化，而石蠟基本都呈現(xiàn)遞減的趨勢。由此，證明月桂酸相變材料的相變潛熱要大于石蠟相變儲(chǔ)能材料。

圖6 溫度-時(shí)間關(guān)系

4 結(jié)束語

通過上述的研究看出，以月桂酸、石蠟等為代表的的有機(jī)相變材料都具有很好的調(diào)溫作用，但是通過對比發(fā)現(xiàn)，月桂酸復(fù)合相變材料的調(diào)溫效果要好于石蠟復(fù)合相變材料。造成上述的原因與月桂酸和石蠟各自的物質(zhì)性能有很大關(guān)系。

［1］ 張立明,鄒志榮,陸國東,喬正衛(wèi). 溫室墻體復(fù)合相變材料的制備與有限元分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2008,04:158-160+170.

［2］ 閆全英,吳生俊,金麗麗. 被動(dòng)式蓄熱相變墻體熱工性能的研究[J]. 新型建筑材料,2014,11:17-20.

［3］ 劉杰勝,劉科,吳月,朱蓉潔,李仕洪,黃旭,董莪,李繼祥. 月桂酸-膨脹珍珠巖相變墻體材料基本性能研究[J]. 磚瓦,2015,03:16-18.

［4］ 楊晟,許勇鐵,由英來. 泡沫石墨/石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的調(diào)溫隔熱性能[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,04:547-550.

［5］ 袁艷平,白力,牛犇. 墻體相變材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 材料導(dǎo)報(bào),2010,01:129-132+141.

［6］ 袁艷平,向波,曹曉玲,張楠,孫亮亮. 建筑相變儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,03:585-598.

［7］ 張明杰,秦孟昊,陳智. 復(fù)合相變調(diào)濕材料對室內(nèi)熱濕環(huán)境影響的研究[J]. 建筑科學(xué),2016,12:72-79.

［8］ 汪振雙,焦玉麟,趙寧,趙一健. 相變材料墻體使用階段的碳排放評價(jià)[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,03:247-250.

Study on Preparation of Multi-element Composite Phase-change Building Wall Materials

（Yangling Vocational & Technical College, ShaanxiXianyang712100，China）

According to the requirements of energy conservation and emission reduction in China, combined with the characteristics of phase-change material, the phase-change material was incorporated into the traditional cement mortar concrete to prepare a new type of wall material. In this regard, for preparation of a new kind of energy-saving material, lauric acid, paraffin and expanded perlite were used as raw materials, the composite material was prepared by the method of physical fusion; and then the performance of the prepared phase-change material was tested by DCS thermal analysis, durability test and compressive strength test method. Through the above test, it's concluded that, with the increase of the phase change material dosage, the temperature regulating property of the material increases gradually, but the compressive strength decreases gradually. Therefore, the phase-change material should be properly added in the wall material, which can greatly improve the wall temperature control ability and achieve the purpose of energy saving and emission reduction.

Phase change material;Physical fusion;Temperature regulation; Compressive strength;Energy saving and emission reduction

TU502

A

1671-0460（2017）10-2034-04

2017-04-23

王雪妮（1984-），女，陜西富平人，講師，碩士研究生。2011年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)，研究方向：從事建筑施工及安全管理工作。E-mail：wangxueni984@126.com。