纖維增強(qiáng)復(fù)合相變儲(chǔ)能風(fēng)管的制備及性能研究

鄒浩明 ，張春成 ，翟蘇寒 ，王翀

（1.北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081；2.北京中世佳恒環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100085）

目前，相變儲(chǔ)能材料已應(yīng)用到生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。生態(tài)建筑領(lǐng)域是相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一。目前已有的報(bào)道中，呂石磊等[4]利用北方地區(qū)夏季夜間自然冷風(fēng)的氣候條件，選出2種合適的脂肪酸類PCM制成相變儲(chǔ)能墻板，夏季可利用夜間冷風(fēng)來吸收室內(nèi)多余冷負(fù)荷，減少空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模；冬季用其與電熱膜結(jié)合使用，達(dá)到節(jié)約能源的目的。專利CN201964082U[5]公開了一種相變儲(chǔ)能風(fēng)管，將相變儲(chǔ)能片固定在風(fēng)管殼體內(nèi)，利用粘貼的相變儲(chǔ)能片實(shí)現(xiàn)風(fēng)管儲(chǔ)能。專利CN202884379U[6]公開了一種保溫管，包括內(nèi)管和設(shè)于內(nèi)管外的保溫層，內(nèi)管和保溫層之間還設(shè)有由相變材料組成的蓄熱層，利用相變材料實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。不管是粘貼相變儲(chǔ)能片還是包覆相變材料層，由于相變儲(chǔ)能片和相變材料層與風(fēng)管不是一體結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能效果受到限制。而且，相變儲(chǔ)能片和相變材料層在使用時(shí)還需安裝，成本較高。

針對(duì)采用相變儲(chǔ)能片或相變材料保溫層進(jìn)行風(fēng)管儲(chǔ)能時(shí)存在的儲(chǔ)能效果差、成本高的問題，本實(shí)驗(yàn)制備了一種新型纖維復(fù)合相變儲(chǔ)能材料風(fēng)管。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

相變石蠟微膠囊、氯化鎂、氧化鎂、碳纖維布、菱鎂膠凝材料改性固化劑，均為工業(yè)級(jí)，由北京中世佳恒環(huán)?？萍加邢薰咎峁?。

1.2 纖維復(fù)合相變儲(chǔ)能風(fēng)管的制備

（1）膠結(jié)漿料制備：將20%相變石蠟微膠囊、75%氯氧鎂和5%改性劑加入到質(zhì)量為三者總質(zhì)量1.0～1.5倍的水中并攪拌均勻，制得膠結(jié)漿料。

（2）涂覆成型：在風(fēng)管模具的成型面涂上脫模劑，干燥后涂刷膠結(jié)漿料，然后鋪放碳纖維布，并再次涂刷膠結(jié)漿料，此后，按照鋪放碳纖維布、涂刷膠結(jié)漿料作為重復(fù)單元進(jìn)行操作，直至達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，得到成型風(fēng)管。

（3）脫模養(yǎng)護(hù)：將成型風(fēng)管自然固化后脫模，然后在18～35℃下養(yǎng)護(hù)8 h，得到相變儲(chǔ)能風(fēng)管。

1.3 性能測試

纖維復(fù)合相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的表觀密度、軟化系數(shù)和吸水率和法蘭抗沖擊強(qiáng)度按JC/T 646—2006《玻鎂風(fēng)管》進(jìn)行測試。導(dǎo)熱系數(shù)按GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特效的測定 熱流計(jì)法》進(jìn)行測試。燃燒性能按GB 8624—2006《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》進(jìn)行測試。釋放有害氣體和抗凝露性能按JG/T 258—2009《非金屬及復(fù)合風(fēng)管》進(jìn)行測試。相變儲(chǔ)熱性能采用差熱掃描量熱儀（DTA）進(jìn)行測試。

2 結(jié)果和討論

2.1 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的基本性能表征（見表1）

表1 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的基本性能

由表1可以看出，本實(shí)驗(yàn)所制備的復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料具有適合的密度（＜2000 kg/m3），較好的耐水性能（軟化系數(shù)＞0.85，吸水率＜8%），較高的強(qiáng)度（法蘭抗沖擊強(qiáng)度＞20 kJ/m2），以及良好的絕熱性能[一般玻鎂復(fù)合風(fēng)管導(dǎo)熱系數(shù)在0.03～0.05 W/（m·K）]。

2.2 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的燃燒性能（見表2）

表2 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的燃燒性能

由表2可見，復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的燃燒性能達(dá)到了A1級(jí)指標(biāo)，具有很好的防火性能。

2.3 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料有害氣體含量（見表 3）

由表3可見，復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的有害氣體含量完全符合JG/T 258—2009標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料釋放的有害氣體

2.4 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的儲(chǔ)熱性能

復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的儲(chǔ)熱性能采用日本島津公司的DTG-60差熱掃描量熱儀（DTA）進(jìn)行表征。測試采用頂部有一小孔的帶蓋氧化鋁坩堝，從20℃開始按2℃/min的升溫速率升至50℃，采用流量為50 ml/min的高純氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣和吹掃氣，測試樣品質(zhì)量為5 mg。DTA測試結(jié)果見圖1、圖2，相變特征參數(shù)見表4。

圖1 相變石蠟微膠囊的DTA測試曲線

圖2 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的DTA測試曲線

表4 相變材料的DTA相變特征參數(shù)

由圖1、圖2和表4可以看出，相變石蠟微膠囊的相變峰溫為29.3℃；摻雜20%相變石蠟微膠囊的復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的相變峰溫為28.7℃。兩者差異不大，滿足使用要求。相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的相變焓比相變石蠟微膠囊低，這是由于制備復(fù)合材料的其它材料不是相變材料。

2.5 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的抗凝露性能

由DTA測試結(jié)果可以證明，制備的復(fù)合風(fēng)管材料具有相變儲(chǔ)能性能，但是還不能說明它在實(shí)際使用中的作用。為此進(jìn)行抗凝露性能測試，結(jié)果見表5。

表5 復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的抗凝露性能

由表5可見，所制備的復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料具有良好的抗凝露性能。這是由于加入了相變儲(chǔ)能材料后，減小了管壁與管內(nèi)空氣的溫差。

3 結(jié)論

（1）復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料具有較好的耐水性、較高的強(qiáng)度及良好的絕熱性能，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料的燃燒性能達(dá)到了A1級(jí)，具有良好的防火性能。

（3）復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料使用過程中無甲醛釋放，其它有害氣體釋放量均很小，符合JG/T 258—2009的環(huán)保要求。

（4）熱分析和抗凝露測試結(jié)果表明，復(fù)合纖維相變儲(chǔ)能風(fēng)管材料具有儲(chǔ)熱作用，使用此材料制成的風(fēng)管具有良好的抗凝露性能。

[1] 鄭其俊.絕熱材料的發(fā)展與應(yīng)用[J].新型建筑材料，2002（6）：44-46.

[2] 王志強(qiáng)，曹明禮，龔安華，等.相變儲(chǔ)熱材料的種類、應(yīng)用及展望[J].安徽化工，2005（2）：8-10.

[3] 孫燁，陳藝軒，王輝.相變材料及其在建筑節(jié)能中的應(yīng)用[J].遼寧化工，2017（2）：182-184.

[4] 呂石磊，馮國會(huì)，付英會(huì)，等.可用于北方寒冷地區(qū)的含脂肪酸類PCM 的相變墻板的 DSC 分析[J].節(jié)能，2004（3）：36-38.

[5] 張東.一種相變儲(chǔ)能風(fēng)管：CN201964082U[P].2011-09-07.

[6] 黃莉，支曉華，陳圣岳.保溫管：CN202884379U[P].2013-04-17.