相變微膠囊硅藻土蓄熱板材制備與性能研究

趙維

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350）

0 引言

隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求的不斷提高，使得室內(nèi)溫濕度調(diào)控顯得尤為重要。在建筑領(lǐng)域，住宅建筑與商業(yè)建筑的能耗不斷上升[1]，而建筑材料的比熱容一般較小，室內(nèi)溫度會(huì)隨環(huán)境溫度波動(dòng)而發(fā)生明顯變化[2]?？赏ㄟ^(guò)相變材料在較高溫度下吸收熱能，在較低溫度下釋放熱能，從而達(dá)到對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)控。但傳統(tǒng)的相變材料在固液相變過(guò)程中存在泄漏現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制[3]。微膠囊化技術(shù)很好地解決了相變材料的泄漏問(wèn)題，并增加了換熱面積[4]。硅藻土具有高孔隙率、質(zhì)量輕、比表面積大的優(yōu)點(diǎn)，是良好的吸濕材料[5]。硅藻土與相變微膠囊混合制備復(fù)合材料，具有良好的蓄熱、調(diào)濕性能[6]。本研究制備一種相變微膠囊/硅藻土蓄熱板材，研究該板材的蓄熱性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

相變微膠囊：以三聚氰胺脲醛樹(shù)脂為殼體、正十八烷為相變材料制得的相變蓄能材料，上海儒熵新能源科技有限公司。硅藻土：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。苯丙乳液：作為粘結(jié)劑，河南漯河大凡化工。玻璃纖維：增強(qiáng)板材強(qiáng)度，河北廊坊欣碩。

1.2 儀器設(shè)備

電子天平：上海佑科儀器儀表有限公司。熱電偶：T型，直徑0.5mm，測(cè)溫范圍-30～100℃，上海合柔電線電纜有限公司。差示掃描量熱儀，DSC2910型。Nova nano 450場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡，美國(guó)FEI公司。導(dǎo)熱儀：DZDR-S型，南京大展檢測(cè)儀器有限公司。數(shù)據(jù)采集儀：安捷倫34972a，安捷倫科技公司。

1.3 相變微膠囊/硅藻土復(fù)合材料的制備

將正十八烷相變微膠囊干粉在30℃真空干燥箱內(nèi)放置6 h，硅藻土在真空干燥箱100℃環(huán)境下烘干12 h。正十八烷相變微膠囊干粉與硅藻土以7∶3的質(zhì)量比充分混合干燥后在室溫下攪拌均勻。將混合好的相變復(fù)合材料放入30℃真空干燥箱中干燥48 h，制得相變微膠囊/硅藻土復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱相變復(fù)合材料）。

1.4 相變板材的制備

采用苯丙乳液作為粘結(jié)劑，將相變復(fù)合材料、苯丙乳液、玻璃纖維按80∶18∶2的質(zhì)量比加入攪拌機(jī)中，由于硅藻土較強(qiáng)的吸水性，向攪拌機(jī)中加入與相變材料等質(zhì)量的水，充分混合后平鋪在預(yù)先準(zhǔn)備好的模具中，在10 kPa壓力下壓制成板材，拆卸模具后，放置在室溫下待其自然干燥，制備170 mm×170 mm×10 mm的相變微膠囊/硅藻土蓄熱板材（以下簡(jiǎn)稱蓄熱板材）。同時(shí)制得相同尺寸的硅藻土板材用于對(duì)照試驗(yàn)。

1.5 性能測(cè)試與表征

1.5.1 微觀分析

采用差示掃描量熱儀（DSC）對(duì)正十八烷相變微膠囊、相變復(fù)合材料的相變溫度與相變潛熱進(jìn)行測(cè)試，升、降溫速率為10℃/min。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察相變復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和形貌。用傅里葉紅外線光譜儀對(duì)硅藻土、相變微膠囊、相變復(fù)合材料進(jìn)行FTIR測(cè)試，分析是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及是否生成新物質(zhì)。

1.5.2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

采用導(dǎo)熱儀測(cè)試蓄熱板材與硅藻土板材的導(dǎo)熱系數(shù)，分析二者的導(dǎo)熱性能，每組3個(gè)試樣，結(jié)果取平均值。

1.5.3 蓄熱板材的蓄熱性能實(shí)驗(yàn)

對(duì)蓄熱板材與硅藻土板材進(jìn)行蓄放熱實(shí)驗(yàn)，對(duì)2塊板材進(jìn)行對(duì)比分析。蓄熱板材的蓄熱性能測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試裝置、恒溫水浴、熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀組成（見(jiàn)圖1）。使用聚苯板對(duì)蓄熱板材進(jìn)行固定，將銅管放在相變板材內(nèi)側(cè)，連通恒溫水浴控制恒定溫度。采用九點(diǎn)法將熱電偶均勻布置在板材外側(cè)，使用保溫棉將測(cè)試裝置包裹，減少與外界空氣的熱交換。將熱電偶與數(shù)據(jù)采集儀相連接，通過(guò)電腦實(shí)時(shí)測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。具體步驟如下：

（1）開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集儀，并啟動(dòng)恒溫水浴，將恒溫水浴水溫設(shè)置在15℃，當(dāng)水溫達(dá)到15℃時(shí)，開(kāi)啟水浴循環(huán)，待電腦端顯示板材外側(cè)的熱電偶溫度降至15℃時(shí)開(kāi)始測(cè)試。

（2）將水浴溫度設(shè)置為40℃，在水浴循環(huán)中熱量由銅管進(jìn)入板材，板材開(kāi)始蓄熱。當(dāng)板材外側(cè)熱電偶的溫度達(dá)到40℃時(shí)板材蓄熱完成。

（3）再次把恒溫水浴的溫度設(shè)置為15℃，當(dāng)板材外側(cè)熱電偶溫度達(dá)到15℃時(shí)板材放熱完成。

（4）分析蓄熱板材與硅藻土板材的蓄放熱性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 相變材料DSC測(cè)試與分析

圖2、圖3分別為相變微膠囊與相變復(fù)合材料的DSC曲線。

由圖2可見(jiàn)，相變微膠囊的熔化潛熱、凝固潛熱分別為187.76、181.94 J/g，熔化溫度、凝固溫度分別為25.66、23.83℃。由圖3可見(jiàn)，相變復(fù)合材料的熔化潛熱、凝固潛熱分別為59.51、56.51 J/g，熔化溫度、凝固溫度分別為25.64、24.04℃。由于硅藻土沒(méi)有相變蓄熱能力，與單純的正十八烷相變微膠囊相比，相變復(fù)合材料的熔化潛熱會(huì)有下降，但仍然具有調(diào)節(jié)室溫的能力，而且復(fù)合材料的熔化溫度在舒適溫度范圍內(nèi)。

2.2 相變材料的SEM測(cè)試與分析（見(jiàn)圖4、圖5）

由圖4可見(jiàn)，硅藻土殼體呈圓盤狀，微孔密集、堆密度小且比表面積大，能夠吸附細(xì)微顆粒。由圖5可見(jiàn)，正十八烷相變微膠囊呈無(wú)規(guī)則的橢圓球形，三聚氰胺脲醛樹(shù)脂外殼很好地將相變微膠囊包裹起來(lái)，當(dāng)相變材料達(dá)到相變溫度后，外殼防止液態(tài)相變材料泄露。硅藻土與相變材料的混合使質(zhì)地更加稠密，可作為保溫材料用于建筑領(lǐng)域。

2.3 FTIR分析

圖6為硅藻土、相變微膠囊、相變復(fù)合材料的紅外光譜。

由圖6可見(jiàn)，正十八烷相變微膠囊在2930.13、2856.48、1564.21、1465.85、725.21 cm-1處有明顯吸收峰，硅藻土在1091.67、788.86、474.47 cm-1處有明顯吸收峰，其中788.86、474.47 cm-1處較強(qiáng)的吸收峰是由于Si—O鍵振動(dòng)導(dǎo)致的，1091.67 cm-1處強(qiáng)的吸收峰是由于Si—O非對(duì)稱伸縮導(dǎo)致的。對(duì)比3種材料的吸收峰可以發(fā)現(xiàn)，硅藻土中的特征峰與相變微膠囊的特征峰在相變復(fù)合材料曲線中均有出現(xiàn)，并沒(méi)有新的物質(zhì)吸收峰，可以看出硅藻土與相變微膠囊并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩者復(fù)合只是單一的物理作用。

2.4 蓄熱板材的導(dǎo)熱系數(shù)

對(duì)于相變板材來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)不僅會(huì)影響熱量傳遞速率，還會(huì)影響其蓄放熱的周期。在室溫下測(cè)得硅藻土板材導(dǎo)熱系數(shù)為0.219 W/（m·K），蓄熱板材導(dǎo)熱系數(shù)為0.250 W/（m·K）。蓄熱板材的導(dǎo)熱系數(shù)較硅藻土板材稍有增大。

2.5 蓄熱板材的蓄放熱性能（見(jiàn)圖7）

由圖7（a）可見(jiàn)，從溫度達(dá)到24℃左右時(shí)開(kāi)始，蓄熱板材的溫度變化逐漸減緩，曲線斜率不斷減小，在28℃左右時(shí)溫度變化又逐漸增大，說(shuō)明在這段時(shí)間內(nèi)相變材料發(fā)生了相變，吸收潛熱。同時(shí)可以看出，硅藻土板材45 min就能達(dá)到40℃，而蓄熱板材需要73 min左右才能達(dá)到設(shè)定溫度。由圖7（b）可見(jiàn)，蓄熱板材溫度變化具有滯后性，降到特定溫度的時(shí)間是硅藻土板材所需時(shí)間的2.8倍左右。蓄熱板材可以有效地延遲升溫和降溫過(guò)程。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)微觀形貌與紅外光譜分析可知，相變微膠囊/硅藻土復(fù)合材料質(zhì)地密實(shí)，制備過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)。

（2）復(fù)合相變材料的熔化與凝固溫度分別為25.64、24.04℃，熔化潛熱與凝固潛熱分別為59.51、56.97 J/g，可以作為建筑材料使用，用于調(diào)控室內(nèi)溫度。

（3）對(duì)相變微膠囊/硅藻土蓄熱板材進(jìn)行蓄放熱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蓄熱板材具有良好的蓄熱能力，可以有效地延遲升溫和降溫過(guò)程。