基于建筑節(jié)能的復(fù)合相變高分子蓄熱材料制備研究

張妹榮

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院宣鋼分院，河北 張家口075100)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，建筑能源需求越來(lái)越大，如何提高能源利用效率已經(jīng)成為建筑企業(yè)十分重要的研究課題之一。復(fù)合相變高分子蓄熱材料屬于一種化學(xué)蓄熱技術(shù)，具有無(wú)污染、蓄熱密度高等特點(diǎn)，針對(duì)化學(xué)蓄熱材料進(jìn)行重點(diǎn)研究，有助于建筑節(jié)能材料的改良與優(yōu)化，提高建筑物的節(jié)能性能[1-4]。

1 十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

C15H38（鄭州阿爾法化工有限公司），分析純（廊坊鵬彩精細(xì)化工有限公司），十八烷（上海麥克林生化科技有限公司），有機(jī)改性膨潤(rùn)土（建平佳鑫礦業(yè)有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電熱鼓風(fēng)干燥箱（南京沃環(huán)科技實(shí)業(yè)有限公司），數(shù)顯恒溫水浴鍋（上海赫田科學(xué)儀器有限公司），精密電子天平（青島聚創(chuàng)環(huán)保集團(tuán)有限公司）。

1.3 制備方法

通過(guò)熔融插層法對(duì)十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料進(jìn)行制備；首先在燒杯中加入一定量的十八烷，用酒精燈加熱，待十八烷處于熔融狀態(tài)下后再于燒杯中加入一定量的有機(jī)改性膨潤(rùn)土，在添加的過(guò)程中用玻璃棒不斷攪拌，最終獲取十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料[5-8]，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表 1 十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料制備參數(shù)Table 1 Preparation Parameters of octadecane / bentonite composite phase change materials

1.4 分析方法

通過(guò)DSC測(cè)試來(lái)分析十八烷的相變潛熱與相變溫度，所使用的儀器為差示掃描量熱儀（上海愷時(shí)浦檢測(cè)技術(shù)有限公司）；通過(guò)紅外光譜儀（上海如海光電科技有限公司）對(duì)該材料進(jìn)行冷熱循環(huán)穩(wěn)定性分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 DSC測(cè)試分析

純十八烷與各種不同比例下十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料的DSC測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖 1 不同比例下十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料的DSC測(cè)試結(jié)果Fig. 1 DSC test results of octadecane/bentonite composite phase change materials with different ratios

根據(jù)圖1可知，十八烷相變潛熱為208.5J/g，相變溫度為21.17℃，20%十八烷/膨潤(rùn)土相變焓為31.46 J/g，25%十八烷/膨潤(rùn)土相變焓為49.56 J/g，30%十八烷/膨潤(rùn)土相變焓為52.15 J/g，35%十八烷/膨潤(rùn)土相變焓為67.22 J/g，40%十八烷/膨潤(rùn)土相變焓為79.56 J/g。對(duì)于復(fù)合有機(jī)相變材料來(lái)說(shuō)，十八烷的含量越高，其相變焓值也就越大，即在系統(tǒng)損耗相同的情況下，潛熱值會(huì)隨著十八烷所占比例的增加而增加，相變焓值大致與復(fù)合相變材料中十八烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)應(yīng)[9-10]。對(duì)于十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料來(lái)說(shuō)，其相變溫度會(huì)隨著十八烷所占比例的提升而向高處偏移。在十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料中，材料自身所帶有的孔隙會(huì)對(duì)十八烷產(chǎn)生較強(qiáng)的約束作用，在復(fù)合材料體積出現(xiàn)變化的情況下會(huì)產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力，十八烷會(huì)受到高于大氣壓的壓力，根據(jù)克拉傅龍公式的基本原理，相變溫度會(huì)隨著壓力的增加而增加[11]。十八烷含量較高的十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料體積相對(duì)較大，被約束在孔隙中的十八烷無(wú)法自由變形，因此受到的壓力也相對(duì)較大，相變溫度提升幅度也相對(duì)較高[12-13]。

2.2 冷熱循環(huán)穩(wěn)定性試驗(yàn)

本次研究將所制備的35%十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料實(shí)施500次冷熱循環(huán)處理，再對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行DSC與XRD分析。該復(fù)合材料在經(jīng)過(guò)500次冷熱循環(huán)處理后的XRD測(cè)試結(jié)果如圖2所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該試樣X(jué)RD圖譜中對(duì)應(yīng)于膨潤(rùn)土的001晶面間距值為3.9514nm，本次研究還測(cè)得35%十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料在進(jìn)行冷熱循環(huán)處理之前的該指標(biāo)為3.9678nm，001晶面的間距值未出現(xiàn)明顯變化。說(shuō)明在冷熱循環(huán)過(guò)程中，復(fù)合材料中的十八烷幾乎不會(huì)從膨潤(rùn)土納米層中脫離，代表該復(fù)合材料具有較為可靠的穩(wěn)定性。

圖 2 冷熱循環(huán)處理后35%十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料的XRD測(cè)試結(jié)果Fig. 2 XRD test results of 35% octadecane / bentonite composite phase change material after thermal cycling treatment

35%十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料在經(jīng)過(guò)500次冷熱循環(huán)處理后的DSC測(cè)試結(jié)果如圖3所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該材料在冷熱循環(huán)處理前后，其相變溫度存在一定的變化，相變潛熱也有所降低。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要在于有機(jī)復(fù)合相變材料界面相互作用強(qiáng)并且比表面積效應(yīng)顯著，同時(shí)也存在納米尺寸效應(yīng)。因此，膨潤(rùn)土的納米層間的有機(jī)相變材料幾乎不會(huì)在蓄放熱過(guò)程中解嵌出來(lái)，說(shuō)明35%十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料在可燃性和液相泄漏問(wèn)題方面得到了良好的改善，是一種性能優(yōu)良的有機(jī)相變蓄熱材料。

圖 3 冷熱循環(huán)處理后35%十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料的DSC測(cè)試結(jié)果Fig. 3 DSC test results of 35% octadecane / bentonite composite phase change material after thermal cycling treatment

3 結(jié)論

根據(jù)DSC測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)十八烷含量為35%時(shí)，十八烷/膨潤(rùn)土復(fù)合相變材料處于飽和吸附狀態(tài)且相變焓達(dá)到67.22 J/g，符合節(jié)能建筑在蓄勢(shì)性能方面的需求。在對(duì)該材料進(jìn)行500次冷熱循環(huán)處理后后，其相變潛熱雖然有所減損，但有機(jī)相變材料也很難從膨潤(rùn)土的納米層間解嵌出來(lái)，可以避免蓄熱材料出現(xiàn)液相泄漏的問(wèn)題，進(jìn)而延長(zhǎng)蓄熱材料的使用壽命。