建筑用相變微膠囊/硅藻土復(fù)合材料的制備及性能研究

聶 瑞，王飛騰，陳麗紅

(1 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西西安 710300；2 陜西理工大學(xué),陜西漢中 723001)

建筑、交通、工業(yè)是現(xiàn)階段我國消耗化石能源最大的三個領(lǐng)域,尤其是在我國城鎮(zhèn)化建設(shè)越來越深入的大背景下,建筑業(yè)(包含石灰、水泥、鋼筋)已經(jīng)成為碳排放的主要行業(yè),占國內(nèi)能源消耗總量的35%[1-2]。為了進(jìn)一步降低建筑能源、節(jié)約建筑使用成本,越來越多的施工單位開始使用保溫材料,而傳統(tǒng)保溫材料普遍存在導(dǎo)熱系數(shù)低、低比熱容等方面的問題[3-4]。因此,本研究制備了一種相變微膠囊-硅藻土復(fù)合儲熱材料,并研究分析了該材料的儲熱性能和吸濕性能。

1 相變微膠囊/硅藻土復(fù)合材料的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

制備相變微膠囊-硅藻土復(fù)合材料所需要使用的各種材料見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料Table 1 Experimental materials

1.2 儀器設(shè)備

制備相變微膠囊-硅藻土復(fù)合材料所需要使用的儀器設(shè)備見表2。

表2 儀器設(shè)備Table 2 Instruments and equipment

1.3 制備流程

本研究通過界面聚合法封裝有機(jī)相變材料,首先對建筑用壁材和芯材實(shí)施混合乳化處理并形成油相,與水相混合后,芯材料表面的壁材在引發(fā)劑的作用下會發(fā)生聚合反應(yīng)進(jìn)而形成微膠囊,整體反應(yīng)過程如圖1 所示。取甲基丙烯酸甲酯3g 和十八烷7g,經(jīng)攪拌充分后形成油相[5-7]。另取3%的SDBS 并將其加入10g 蒸餾水中,經(jīng)攪拌充分后形成水相。將水相和油相放入水浴鍋中攪拌30min,環(huán)境溫度80℃,進(jìn)而形成水包油乳液,再稱取0.03g 過硫酸銨溶液(0.13g/mL)并將其滴入乳液中,該操作可引起聚合反應(yīng)[8-10]。經(jīng)過2h的聚合反應(yīng)后獲取相變微膠囊溶液,通過抽濾處理將溶液中的微膠囊提取出來并實(shí)施3 次蒸餾水清洗處理,于50℃環(huán)境靜置24h最終獲取相變微膠囊[11]。

圖1 相變微膠囊的合成過程Fig.1 Synthesis process of phase change microcapsules

相變微膠囊由于無法單獨(dú)作為建筑涂層材料直接投入使用,因此將硅藻土與相變微膠囊混合進(jìn)而制備出相變微膠囊-硅藻土復(fù)合材料,具體流程如下:(1) 于真空干燥箱中放置相變微膠囊,在30℃環(huán)境下靜置24h；(2)于真空干燥箱中放置硅藻土材料,在100℃環(huán)境下靜置24h；(3) 待硅藻土和相變微膠囊充分干燥后以7:3的比例混合均勻,并倒入適量的去離子水,經(jīng)20min 充分?jǐn)嚢韬蠡旌暇鶆颉Ｓ谝粋€正方形模具中倒入充分混合的相變材料,再將其放置于真空干燥箱中靜置72h,溫度為30℃,最終獲得相變微膠囊/硅藻土復(fù)合材料[12-13]。

2 結(jié)果分析

2.1 微觀形貌

根據(jù)圖2 可知,相變微膠囊微觀外表呈不規(guī)則球形,粒徑普遍在1μm 以內(nèi)并被包囊于殼材中,部分區(qū)域內(nèi)會存在相變微膠囊團(tuán)塊。根據(jù)圖3 和圖4 可知,相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料相比于單純硅藻土來說質(zhì)地更為稠密,相變微膠囊與硅藻土經(jīng)過充分混合后可進(jìn)一步增強(qiáng)相變材料的粘性,使之可作為建材材料并應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。根據(jù)圖5 也可以發(fā)現(xiàn),相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料定型試塊棱角分明且質(zhì)地均勻,說明該復(fù)合材料具有良好的定型能力。

圖2 相變微膠囊微觀形態(tài)Fig.2 Micro morphology of phase change microcapsules

圖3 硅藻土微觀形態(tài)Fig.3 Micro morphology of diatomite

圖4 相變微膠囊/硅藻土 復(fù)合材料微觀形態(tài)Fig.4 Micro morphology of phase phase change microcapsule/diatomite composite

圖5 復(fù)合材料定型試塊Fig.5 Composite shaped test block

2.2 DSC 測試

圖6 為相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料的DSC 曲線,經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料的融化溫度為22.30℃,融化峰值為26.35℃,融化潛熱為44.17J/g。相比于單純相變微膠囊來說,相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料的融化潛熱和融化溫度必然會有所下降,但仍然具有一定調(diào)節(jié)室溫的能力,融化溫度也處于室內(nèi)舒適溫度區(qū)間。

圖6 相變微膠囊/硅藻土復(fù)合材料DSC 曲線Fig.6 DSC curve of phase change microcapsule/ diatomite composit

2.3 DVS 測試

由于硅藻土材料具有多孔性特性,因此相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料理論上應(yīng)當(dāng)具有一定的吸濕特性。在室內(nèi)濕度提升的情況下,硅藻土的吸濕作用可以延緩室內(nèi)濕度增加,而在室內(nèi)濕度下降的情況下,硅藻土還能夠?qū)⑺盏乃轴尫懦鰜?進(jìn)而延緩室內(nèi)濕度下降。硅藻土的這一特性有助于維持室內(nèi)濕度平穩(wěn)。通過動態(tài)水蒸氣吸附儀(DVS)來建立相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料的等溫吸附曲線,設(shè)定質(zhì)量平衡標(biāo)準(zhǔn)為0.001%?mi-1,相對濕度變化范圍為0～95%,測試溫度為25℃。相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料DVS 測試曲線如圖7 所示,經(jīng)測試可知,該材料的飽和吸濕量為0.32g/g,得益于硅藻土的多孔特性,復(fù)合材料在具有儲熱性能的同時也具有一定的濕度調(diào)節(jié)功能。

圖7 相變微膠囊/硅藻土復(fù)合材料DVS 測試曲線Fig.7 DVS test curve of phase change microcapsule/ diatomite composite

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料的制備方法,觀察了該復(fù)合材料的微觀形貌,并針對其儲熱性能和吸濕性能進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知,將相變微膠囊/ 硅藻土復(fù)合材料作為建筑材料投入應(yīng)用,有助于改善室內(nèi)的溫度、濕度狀況,起到節(jié)約建筑能源的作用。