建筑用多孔型相變儲熱材料的制備及性能表征

賈紹琨，張玉棟

（1河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院宣鋼分院，河北張家口075100：2河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000）

相變儲能材料是當(dāng)前我國建筑領(lǐng)域廣泛使用的一種室溫調(diào)節(jié)材料，該材料有助于平衡室內(nèi)晝夜溫度并降低取暖能耗[1]。而“多孔”則是相變儲熱材料的一種封裝形式，即通過密集、微小的孔隙來吸附儲能材料，最終形成多孔型相變儲熱材料，同時通過化學(xué)鍵的多方協(xié)同、表面張力以及毛細(xì)吸附作用使多孔基體內(nèi)部孔隙中相變儲能材料的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的增強(qiáng)[2-3]。本次研究將相變儲能材料選定為聚乙二醇800，其相變溫度在25℃附近，將多孔材料基體選定為膨脹石墨。

1 材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

可膨脹石墨（EG），規(guī)格型號為80目，石家莊灃銘礦產(chǎn)品有限公司；聚乙二醇800（PEG），分析純，沈陽伊威隆化工原料有限公司。其中可膨脹石墨膨脹容積為100mL/g，需要事先對其實(shí)施干燥處理，將含水率控制在3%以下。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

SX2-6-13型馬弗爐（箱式電阻爐），上海鉅晶電阻爐生產(chǎn)商；DZF-6020型真空干燥箱，南京龍伍機(jī)械有限公司；Autosorb-iQ型全自動BET分析儀，美國康塔儀器公司；JSM-7001F型掃描電子顯微鏡，日本電子JEOL。

2 PEG/EG相變儲熱材料制備

選取50mL高溫陶瓷坩堝，倒入0.5g經(jīng)過干燥處理的可膨脹石墨，再將坩堝置于SX2-6-13型馬弗爐中，800℃加熱60s后取出，最終獲得疏松多孔的EG[4-5]。

于燒杯中加入一定量的PEG，水浴加熱使PEG轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，分別配制3份不同質(zhì)量比例的PEG/EG粗混材料，質(zhì)量比例分別為6:1、9:1、11:1，材料代號分別為E-PCM1、E-PCM2、E-PCM3。將粗混材料充分?jǐn)嚢韬笥娩X箔紙與橡皮筋密封閉燒杯口，再將燒杯置于DZF-6020型真空干燥箱中，箱內(nèi)氣壓-0.1MPa、溫度75℃，經(jīng)過12h的吸附處理后獲取PEG/EG相變儲熱材料，其備流程如圖1所示[6-8]。

圖1 PEG/EG相變儲熱材料的制備過程Fig. 1 Preparation process of PEG / EG phase change heat storage material

3 PEG/EG相變儲熱材料的表征

3.1 氮?dú)馕椒?/h3>

通過Autosorb-iQ型全自動BET分析儀來表征EG的孔隙結(jié)構(gòu)，于150℃環(huán)境下對待測樣本實(shí)施180min的脫氣處理，再將液氮加入樣品中，于-196℃環(huán)境下繪制EG的氮?dú)馕?脫附曲線[9-11]。

3.2 掃描電鏡測試

待EG及PEG/EG相變儲熱材料充分干燥后對其實(shí)施噴金處理，利用JSM-7001F型掃描電子顯微鏡來觀察待測樣本表面微觀形貌，分辨率為1.2nm/15kV，加速電壓為20kV[12-13]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 EG的微觀形貌與孔隙結(jié)構(gòu)

圖2為EG的微觀形貌圖像，圖3為EG的吸附-解吸等溫線，經(jīng)BET分析發(fā)現(xiàn)，本次研究所制備的EG比表面積較高，可達(dá)到134.48m2·g-1，表明EG內(nèi)部孔隙較為豐富，有助于吸附較多的相變儲能材料，其孔隙類型主要包括微孔（Φ <2nm）、介孔（2nm<Φ <50nm）、大孔（Φ >50nm）三種。根據(jù)圖2可以觀察到，EG呈多孔、疏松、柔軟的層狀結(jié)構(gòu)，層間的孔隙呈網(wǎng)狀分布。

圖2 EG表面微觀形貌Fig. 2 Surface morphology of EG

圖3為EG的吸附-脫附等溫線，滯回曲線上下兩端的閉合點(diǎn)距離較寬，代表EG的介孔孔徑分布較寬，孔隙類型主要為介孔。

圖3 EG的吸附-脫附等溫線Fig. 3 Adsorption desorption isotherm of EG

圖4為EG的孔隙積分孔容與孔徑關(guān)系曲線，根據(jù)該圖可知，EG的孔徑在2～10 nm之間，進(jìn)一步證明了EG的孔隙類型主要為介孔。以往研究發(fā)現(xiàn)，大孔EG材料在外界壓強(qiáng)發(fā)生變化的情況下容易出現(xiàn)吸附物流失的問題，而微孔EG材料只有在較為嚴(yán)苛的溫度和壓強(qiáng)環(huán)境下才能夠發(fā)揮吸附作用。介孔EG材料則能夠于低壓環(huán)境下吸附相變儲熱物質(zhì)，由于其層狀結(jié)構(gòu)較為柔軟，吸附物不易流失。

圖4 EG的孔隙積分孔容與孔徑關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship curve between pore volume and pore diameter of EG

4.2 PEG/EG相變儲熱材料的儲熱性能

表1為PEG800及PEG/EG相變儲熱材料的DSC數(shù)據(jù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，純PEG在結(jié)晶過程中的相變潛熱為141.41J·g-1，熔化過程中的相變潛熱為144.71J·g-1，雖然潛熱值較高，但熔化過程中的峰值溫度為33.51°C，并不處于人體舒適溫度范圍。而E-PCM2的潛熱值僅次于純PEG，結(jié)晶過程中的峰值溫度為20.20°C，熔化過程中的峰值溫度為25.04°C，在具有較高相變潛熱值的同時，相變溫度也處于人體舒適溫度區(qū)間。

表1 PEG800及PEG/EG相變儲熱材料的DSC數(shù)據(jù)Table 1 DSC data of PEG800 and PEG/EG phase change materials

5 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，可膨脹石墨是吸附相變儲熱材料的優(yōu)良介質(zhì)，能夠在常規(guī)環(huán)境下發(fā)揮良好的吸附作用，其特殊的孔隙分布形態(tài)使得吸附物不易發(fā)生流失。在對比幾種不同比例的PEG/EG相變儲熱材料后發(fā)現(xiàn)，PEG和EG的質(zhì)量比例為9:1的情況下，其相變潛熱較為理想，且相變溫度也處于人體舒適溫度區(qū)間。