建筑用復(fù)合相變材料的石膏制備和性能研究

徐志彪,閆 龍

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

1 前言

在解決資源和環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展的問題中,建筑節(jié)能是一個(gè)重要途徑和方式。為了減少建筑能耗,關(guān)于相變儲(chǔ)能材料的性能優(yōu)化研究成為現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)焦點(diǎn)。對(duì)此,許多學(xué)者進(jìn)行了研究,致力于開發(fā)穩(wěn)定性強(qiáng)、相變潛熱高和導(dǎo)熱性能好的復(fù)合相變材料[1]。舒釗等制備了一種納米和多孔基復(fù)合相變材料,試驗(yàn)結(jié)果表明,該材料具有較好的熱導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性,同時(shí)能減少材料泄漏問題,能夠達(dá)到建筑節(jié)能的目的[2]。聶瑞等則通過界面聚合法,用相變微膠囊和硅藻土制備了一種新型復(fù)合材料,試驗(yàn)結(jié)果表明,該材料在儲(chǔ)熱和吸濕性能等方面表現(xiàn)良好,在作為建筑節(jié)能材料應(yīng)用時(shí),能有利于室溫的恒定和濕度的平衡[3]。而史琛等則研究了石蠟類相變儲(chǔ)能材料在建筑中的應(yīng)用,以宏觀封裝、微膠囊封裝和多孔材料吸附3種方式對(duì)材料進(jìn)行改性,研究材料的穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性等[4]。以上學(xué)者的研究為相變儲(chǔ)能材料的發(fā)展提供了參考,但針對(duì)相變儲(chǔ)能材料的穩(wěn)定性、相變潛熱和導(dǎo)熱性等問題還有優(yōu)化空間。因此,試驗(yàn)將膨脹珍珠巖和石蠟結(jié)合,制備了一種石膏基復(fù)合相變建筑材料,并對(duì)其穩(wěn)定性、相變潛熱等性能進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)部分

2.1 材料與設(shè)備

主要材料。液體石蠟(AR 天茂化工);固體石蠟(AR 聚宇化工);膨脹珍珠巖(EP,粒徑3 mm～6 mm,冠廷建材);建筑石膏(AR 鑫隆發(fā)化工)。

主要設(shè)備。DZF6020型真空恒溫干燥箱(萊特儀器設(shè)備);JJ-1BA型數(shù)顯恒溫電動(dòng)攪拌器(華城潤華實(shí)驗(yàn)儀器);NJ-160型攪拌機(jī)(雙鑫試驗(yàn)儀器);JAB型電子分析天平(群安科學(xué)儀器);HH-1型數(shù)顯恒溫水浴鍋(常州全禾儀器);WRN-130型K型熱電偶(威儀達(dá)儀器);BLD-BX-190L型超低溫試驗(yàn)箱(佰利達(dá)試驗(yàn)設(shè)備);YJ-DSC-800型差示掃描量熱儀(德杜精密儀器);FTIR-650型傅里葉紅外光譜分析儀(安原儀器);TGA-101型熱重分析儀(南京大展檢測(cè)儀器);YAW型微機(jī)全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(新試金試驗(yàn)儀器)。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 復(fù)合相變材料的制備

(1)用電子天平稱取固體石蠟和液體石蠟,質(zhì)量比例為1 ∶1,置于燒杯中,然后放入干燥箱中,加熱至80 ℃使之融化混合,最后在80 ℃恒溫條件下,用攪拌器攪拌5 h,轉(zhuǎn)速2 000 r/min。攪拌后裝模并冷卻至室溫備用,得到固—液石蠟低共溶混合物。

(2)將步驟(1)制備的混合物放入燒杯中,在恒溫水浴鍋中融化,設(shè)置溫度為80 ℃。徹底融化后取出,加入一定質(zhì)量的膨脹珍珠巖,充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颉?/p>

(3)將(2)中的混合材料取出一部分放在80℃的恒溫干燥箱中自然吸附24 h,另一部分放在恒溫干燥箱中進(jìn)行真空吸附處理,溫度和真空度保持,分別為80 ℃和-0.9 MPa。期間,每2 h打開干燥箱真空閥,待常壓后再次抽成真空。

(4)過濾出吸附完成的膨脹珍珠巖材料,在80 ℃條件下懸空放置3 h,然后自然冷卻至膨脹珍珠巖內(nèi)的石蠟完全凝固,得到復(fù)合相變材料。

2.2.2 相變石膏板的制備

(1)將2.2.1中制備的復(fù)合相變材料以不同摻量與建筑石膏加入攪拌器中,摻量分別為7%、14%、21%、28%和35%,再在攪拌器中加入適量的水混合均勻。

(2)將步驟(1)中得到的混合物澆筑至準(zhǔn)備好的模具中,尺寸分別為300 mm×300 mm×30 mm和40 mm×40 mm×160 mm,完全凝固后,得到相變石膏板以及標(biāo)準(zhǔn)件。

2.3 性能測(cè)試

2.3.1 差式掃描量熱(DSC)測(cè)試

通過差示掃描量熱儀對(duì)復(fù)合相變材料進(jìn)行檢測(cè),分析其相變溫度及相變潛熱。

2.3.2 傅里葉紅外光譜(FT-IR)測(cè)試

通過傅里葉紅外光譜分析儀對(duì)復(fù)合相變材料進(jìn)行檢測(cè),并分析樣品的成分和結(jié)構(gòu)。

2.3.3 熱重(TG)測(cè)試

通過熱重分析儀對(duì)復(fù)合相變材料進(jìn)行測(cè)試,探究試樣隨溫度變化的質(zhì)量損失情況,分析材料的熱穩(wěn)定性。

2.3.4 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

通過微機(jī)全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)石膏基復(fù)合相變材料進(jìn)行檢測(cè),分析其力學(xué)性能。

2.3.5 耐久性測(cè)試

對(duì)石膏基復(fù)合相變材料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),用電子分析天平稱取初始質(zhì)量后,每隔30次循環(huán)稱取一次質(zhì)量,分析材料的質(zhì)量損失情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 工藝優(yōu)化分析

在2.2.1中制備復(fù)合相變材料過程中,膨脹珍珠巖吸附石蠟相變材料方式分別為24 h自然吸附和不同時(shí)間的真空吸附。圖1為不同時(shí)間下EP對(duì)PA的吸附率曲圖。由圖1可知,0表示在常壓常溫狀態(tài)下EP自然吸附PA至飽和狀態(tài),此時(shí)m(PA) ∶m(EP)=2.012。在真空吸附過程中,隨著吸附時(shí)間的增加,EP對(duì)PA的吸附率先迅速上升,然后在吸附時(shí)間1h后趨于穩(wěn)定。在真空吸附時(shí)間1 h時(shí),m(PA) ∶m(EP)=5.106,吸附率是自然吸附時(shí)的2.5倍;在真空吸附時(shí)間為12 h時(shí),吸附率上升達(dá)到最大值,此時(shí),m(PA) ∶m(EP)=5.130,但差別不大。這表明,膨脹珍珠巖對(duì)相變材料的真空吸附率為自然吸附率的2.5倍,且真空吸附時(shí)間對(duì)吸附率影響較小。因此,在制備膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料的工藝中,選擇真空吸附1 h的方式。

圖1 不同時(shí)間下EP對(duì)PA的吸附率Fig.1 Adsorption rate of EP to PA at different time

3.2 差式掃描量熱(DSC)分析

圖2為膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料在真空吸附1 h后的DSC分析結(jié)果。由圖2可知,在差式掃描量熱試驗(yàn)過程中,溫度從0 ℃升到80 ℃時(shí),材料出現(xiàn)了吸熱峰,從圖2中可以觀察到,材料的相變潛熱值為70.59 J/g;材料相變溫度和相變峰值溫度分別為為21.86 ℃和36.742 ℃。而固—液石蠟低共溶混合物作為試驗(yàn)中的前端相變材料,其相變溫度為25 ℃,相變峰值溫度為32 ℃,相變潛熱為88 J/g[5-6]。對(duì)比可知,在加入膨脹珍珠巖后,材料的相變溫度出現(xiàn)降低的情況,而相變峰值溫度上升,相變潛熱依然較大,出現(xiàn)這種變化的主要原因是膨脹珍珠巖有著多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積,當(dāng)相變材料附著在膨脹珍珠巖表面時(shí),材料的表面張力對(duì)相變材料的性質(zhì)影響與其在堆積狀態(tài)下的影響不同[7]。因此,所制備的膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料的相變潛熱較大,相變溫度也在人體舒適溫度范圍內(nèi),符合建筑節(jié)能材料的要求。

圖2 材料DSC分析圖Fig.2 DSC analysis diagram of material

3.3 傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析

圖3為各材料的FT-IR分析圖。由圖3中相變材料石蠟的傅里葉紅外光譜曲線(a)可知,曲線前端出現(xiàn)兩個(gè)較弱的吸收峰。其中,一個(gè)是CH3基團(tuán)的對(duì)稱變角振動(dòng)吸收峰,為1 362.45 cm-1,另一個(gè)是CH2基團(tuán)的變角振動(dòng)吸收峰,為1 476.89 cm-1;在基體材料膨脹珍珠巖的傅里葉紅外光譜曲線(b)中,前端出現(xiàn)較寬的吸收峰1 029.67 cm-1,這是因?yàn)榕蛎浾渲閹r中含SiO2基團(tuán),在試驗(yàn)過程中,SiO2基團(tuán)不斷振動(dòng)伸縮的結(jié)果;圖3中(c)為復(fù)合相變材料的傅里葉紅外光譜曲線,與(a)、(b)相比,吸收峰和特征峰一一對(duì)應(yīng),沒有出現(xiàn)新的吸收峰,這表明了制備的膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料中沒有產(chǎn)生新的基團(tuán),制備過程中真空吸附方式是物理吸附,吸附過程主要為材料分子間的作用力[8-9]。

圖3 材料FT-IR分析圖Fig.3 FT-IR analysis diagram of material

3.4 熱重(TG)分析

圖4為膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料在真空吸附1 h后的熱重(TG)分析結(jié)果。由圖4可知,在測(cè)試溫度逐漸增加至125.34 ℃的過程中,材料質(zhì)量損失較小,僅0.23%,這主要是因?yàn)樵诓牧现苽溥^程中,少量的水分附著在材料表面,所以,當(dāng)對(duì)材料進(jìn)行加熱時(shí),這些附著在材料表面的水分會(huì)不斷蒸發(fā),從而導(dǎo)致材料的質(zhì)量下降;當(dāng)溫度升到149.78 ℃時(shí),材料開始出現(xiàn)較大質(zhì)量變化,表現(xiàn)為質(zhì)量損失率增加,溫度升至195.61 ℃附近時(shí),材料質(zhì)量損失率快速增加,直至溫度上升到305.84 ℃時(shí),材料質(zhì)量損失率趨于平穩(wěn),這些變化的主要原因是膨脹珍珠巖表面附著的石蠟隨溫度升高而氣化分解,材料的質(zhì)量逐漸損失,直至只剩下基體材料膨脹珍珠巖[10]。從測(cè)試結(jié)果可知,膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料中的基體材料和相變材料結(jié)合較好,主要失重區(qū)間為150～305 ℃。而在實(shí)際建筑應(yīng)用中,溫度環(huán)境不會(huì)高于100 ℃,因此,所制備的復(fù)合相變材料符合建筑節(jié)能材料的要求。

圖4 熱重分析曲線圖Fig.4 Analysis curve of TG

3.5 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

根據(jù)2.3.4中的測(cè)試方法,分別對(duì)不同復(fù)合相變材料摻量石膏板以及凍融循環(huán)120次后的相變石膏板進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見圖5。由圖5可知,隨著復(fù)合相變材料摻量的不斷增加,石膏基復(fù)合相變材料的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度下降的情況,且均小于空白石膏試件抗壓強(qiáng)度。發(fā)生這些變化的主要原因是,膨脹珍珠巖有著多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積,相變石蠟在其表面附著較多,相變石蠟具有憎水性,所以,當(dāng)膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料與石膏混合時(shí),材料與石膏的粘結(jié)力下降,因此抗壓強(qiáng)度減小,石膏基復(fù)合相變材料的性能變差[11]。在石膏板中摻入大量復(fù)合相變材料時(shí),試件的抗壓強(qiáng)度會(huì)大幅度下降。未凍融循環(huán)的空白石膏試件抗壓強(qiáng)度為3.3 MPa;當(dāng)摻量為35%時(shí),材料抗壓強(qiáng)度降到了1.5 MPa。另外,在經(jīng)過凍融循環(huán)120次試驗(yàn)后的材料均表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度下降的趨勢(shì),其中,空白石膏試件的抗壓強(qiáng)度為3.2 MPa,凍融循環(huán)后強(qiáng)度有所下降;在復(fù)合相變材料摻量為7%時(shí),凍融循環(huán)試驗(yàn)后材料抗壓強(qiáng)度基本無變化,為2.8 MPa;隨著摻量的增加,抗壓強(qiáng)度下降至1.3 MPa。這些變化的主要原因是凍融循環(huán)后,相變石蠟滲出,隨著復(fù)合相變材料摻量的增加,這種滲出效果越明顯,石膏基復(fù)合相變材料的抗壓強(qiáng)度下降越明顯[12-14]。因此,選擇膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料摻量為7%。

圖5 材料的抗壓強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.5 The relationship between compressive strength and cycle number of materials

3.6 耐久性分析

根據(jù)2.3.5中的測(cè)試方法,分別對(duì)不同復(fù)合相變材料摻量的石膏板進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 材料質(zhì)量損失量Tab.1 Mass loss of materials

由表1可知,當(dāng)復(fù)合相變材料的摻量不斷增加,試件的質(zhì)量損失量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),這主要是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)過程中,試件中的水分蒸發(fā)以及相變石蠟的不斷滲出,在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí),材料質(zhì)量的下降主要因?yàn)楦街诓牧媳砻娴乃植粩嗾舭l(fā),隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,材料質(zhì)量的損失主要因?yàn)橄嘧兪灥膿p失,并且隨著摻量的增加,試件中的水分會(huì)減少,所以,材料呈現(xiàn)質(zhì)量損失量先增大后減小的趨勢(shì)[15]。當(dāng)復(fù)合相變材料的摻量為14%時(shí),試件質(zhì)量損失量基本達(dá)到最大值,試件中相變石蠟損失質(zhì)量大約為5.1 g,試件初始質(zhì)量為386.46 g,可以計(jì)算得到質(zhì)量損失率為1.3%,質(zhì)量損失率較小。由此可見,膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料的摻量變化對(duì)試件質(zhì)量損失影響較小,制備的石膏基復(fù)合相變材料的質(zhì)量損失率較小,耐久性較好。

4 結(jié)論

綜上,試驗(yàn)制備石膏基復(fù)合相變材料具有良好的綜合性能,可以作為建筑節(jié)能材料。

1)在制備膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料的工藝過程中,選擇真空吸附1 h的方式,此時(shí),m(PA) ∶m(EP)=5.106,吸附率是自然吸附時(shí)的2.5倍。其吸附過程為物理反應(yīng),未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

2)DSC測(cè)試結(jié)果表明,所制備的復(fù)合相變材料的相變潛熱為70.59 J/g,其相變潛熱較大,而相變溫度也在人體舒適溫度范圍內(nèi),為21.86 ℃,能作為建筑節(jié)能材料使用。

3) TG測(cè)試結(jié)果表明,在膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料中,基體材料和相變材料的結(jié)合較好,在常溫升至125 ℃過程中,質(zhì)量損失主要是水分蒸發(fā)為主,相變材料石蠟未蒸發(fā)分解,因此,復(fù)合相變材料在實(shí)際建筑環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

4) 隨著膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料摻入石膏中,材料抗壓強(qiáng)度從3.3 MPa降低至1.5 MPa。在凍融循環(huán)120次后,材料抗壓強(qiáng)度大幅度下降。當(dāng)摻量為7%時(shí),凍融循環(huán)試驗(yàn)前后材料抗壓強(qiáng)度較好,為2.8 MPa。因此,膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料適宜摻量為7%。

5)凍融循環(huán)試驗(yàn)中,當(dāng)膨脹珍珠巖/石蠟復(fù)合相變材料摻量為14%時(shí),質(zhì)量損失量最大時(shí),但質(zhì)量損失率僅為1.3%,質(zhì)量損失率較小。因此,制備的石膏基復(fù)合相變材料的耐久性較好。