復(fù)合相變蓄熱涂層的蓄放熱調(diào)溫特性

于文艷, 殷凱

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 呼和浩特 010051)

隨著生活質(zhì)量的不斷提高,建筑能耗隨之不斷增加。在雙碳目標(biāo)下,能源的高效利用越來越重要[1]。相變材料(phase change materials,PCM)在儲放熱過程中具有能量密度高、溫度變化小的特點[2],能在幾乎恒定的溫度下吸收或釋放熱量,與建筑材料相結(jié)合,可以減少室內(nèi)溫度的波動[3-4]。利用相變材料調(diào)節(jié)室內(nèi)的空氣溫度,可以達到提高室內(nèi)熱舒適度和建筑節(jié)能的目的[5-6]。目前相變材料與建筑材料的結(jié)合方式主要包括直接摻入[7]、浸入式[8]和微膠囊封裝[9]。前兩種方法將相變材料直接混合到建筑材料如石膏、混凝土及其他建筑圍護結(jié)構(gòu)中[10-12],然而在長期使用過程中往往會出現(xiàn)泄漏的問題。而微膠囊封裝將相變材料封裝在不同材料的殼體中,能夠防止相變材料的泄漏[13]。目前廣泛應(yīng)用于建筑[14]、紡織[15]、化工[16]等領(lǐng)域。

但與建筑圍護結(jié)構(gòu)結(jié)合的過程中卻不可避免地出現(xiàn)力學(xué)性能下降的問題,如陳金平等[17]發(fā)現(xiàn)在配合比相同的前提下,砂漿的強度受相變材料本身的影響較大,相較于普通砂漿,相變儲能砂漿的抗壓強度會明顯降低。宋云連等[18]通過實驗發(fā)現(xiàn)隨著相變材料摻量的增大,相變?yōu)r青混合料的劈裂強度降低,同時其低溫抗裂性也會進一步降低。蘇高偉等[19]以水泥為基體,將微膠囊相變材料摻入其中制得復(fù)合相變材料。研究結(jié)果表明,復(fù)合相變材料的儲放熱性能與微膠囊相變材料的摻量呈正比,力學(xué)性能呈反比。同時Cui等[20]通過實驗也發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥基相變砂漿中的相變材料含量為20%時,力學(xué)性能會降低30%～40%。鑒于此,國內(nèi)外學(xué)者開始尋求其他解決路徑,Jeong等[21]研究了微膠囊相變材料與不同類型涂料之間的相容性。結(jié)果表明:微膠囊相變材料在涂料中具有良好的兼容性和熱耐久性。張云峰等[22]通過將微膠囊相變材料添加到涂料中,發(fā)現(xiàn)隨著添加量的增加,復(fù)合相變涂料的儲放熱性能依次增強。Han等[23]報道,與不含相變材料的涂層相比,含有微膠囊相變材料的涂層可以降低室內(nèi)溫度。Lei等[24]實驗發(fā)現(xiàn)熱帶氣候條件下,建筑圍護結(jié)構(gòu)中冷色涂層和相變材料相結(jié)合是一種很好的被動式降溫節(jié)能方法。而建筑涂料通?？捎糜诮ㄖo結(jié)構(gòu)保溫性能的改善上,并且易于之相結(jié)合[25]。綜上可知,微膠囊相變材料與建筑墻體相結(jié)合,不可避免地會降低建筑圍護結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)性能;而與涂料相結(jié)合的方式,兩者不僅具有一定的兼容性,還可以提高蓄熱調(diào)溫的能力。

因此,將微膠囊相變材料與建筑墻體表面的涂層相結(jié)合,在避免此類問題的同時,還可以起到改善室內(nèi)熱環(huán)境的作用。現(xiàn)將微膠囊相變材料加入到膩子粉中制備復(fù)合相變涂料,通過設(shè)計合理的配合比,制備出適用于建筑墻體表面的復(fù)合相變涂料,并應(yīng)用于水泥板內(nèi)表面,通過觀察表面溫度、熱流密度以及室內(nèi)溫度的變化規(guī)律,研究不同微膠囊相變材料含量下復(fù)合相變涂層對于蓄放熱性能的影響,為建筑領(lǐng)域使用復(fù)合相變涂料提供實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

膩子粉,主要成分為滑石粉和膠水,內(nèi)蒙古曜亞裝飾有限公司;微膠囊相變材料(microcapsule phase change material,MPCM),正十八烷為芯材,密胺樹脂為殼材,熔點28 ℃,相變潛熱188.45 J/g,上海儒熵新能源科技有限公司。

電子天平SB10002,精度±0.01 g,永康市五鑫衡器公司;低溫恒溫槽DC-0506,精度±0.01 ℃,北京中科信佳科技有限公司;溫濕度記錄儀HOBO UX100,溫度精度±0.5 ℃,濕度精度±3.5%,美國HOBO公司;多通道溫度熱流測量儀JTNT-A,溫度精度±0.5 ℃,熱流精度±4%,北京世紀(jì)建通科技股份有限公司;紅外熱成像儀FLIR T200,美國菲力爾公司;掃描電子顯微鏡 FEI-Quanta 250 FEG,美國FEI公司;差式掃描量熱儀DSC 3500 Sirius,德國耐馳公司;熱重分析儀TG-209 F3,德國耐馳公司。

1.2 復(fù)合相變涂層的制備

復(fù)合相變涂料的配比如表1所示。微膠囊相變材料與膩子粉質(zhì)量比分別為0、10%、20%、30%。復(fù)合相變涂層的制備方法如下:將膩子粉與微膠囊相變材料在燒杯中均勻混合后,加入蒸餾水,攪拌呈粘稠狀,均勻涂抹在水泥板上,其中水泥板的尺寸為長×寬×厚=300 mm×200 mm×4.5 mm,如圖1所示。

圖1 復(fù)合相變涂層的水泥板Fig.1 Cement slab with composite phase change coatings

1.3 復(fù)合相變涂料的表征與性能測試

利用掃描電鏡對膩子粉與復(fù)合相變涂料的微觀形貌結(jié)構(gòu)進行觀察分析。利用差式掃描量熱儀在氮氣氣氛中以10 ℃/min的速率在-10～50 ℃溫度范圍內(nèi)測量復(fù)合相變涂料的相變溫度和相變潛熱。利用熱重分析儀在氮氣氣氛中以10 ℃/min的速率在30～500 ℃溫度范圍內(nèi)測試復(fù)合相變涂料的熱穩(wěn)定性。利用紅外熱成像儀記錄復(fù)合相變涂層升溫階段(0～65 ℃)的表面溫度及顏色的變化情況。

利用自制的試驗裝置測試復(fù)合相變涂層的蓄放熱特性,該試驗裝置的尺寸為350 mm×250 mm×275 mm,頂部由尺寸為300 mm×200 mm×4.5 mm的水泥板及厚度為2 mm的涂層組成,其余部分為25 mm厚的擠塑聚苯乙烯保溫板(XPS),圖2中溫度傳感器及熱流傳感器記錄內(nèi)壁面溫度以及熱流密度的變化,位于箱體內(nèi)部中央位置的溫濕度記錄儀記錄室內(nèi)的溫度變化,使用額定功率為150 W的保溫?zé)裟M太陽輻射對含有復(fù)合相變涂層的水泥板進行加熱,加熱和冷卻時間分別為30 min和90 min,具體構(gòu)造如圖3所示。

表1 復(fù)合相變涂料的配比Table 1 Composition ratio of composite phase change coatings

圖2 復(fù)合相變涂層蓄放熱特性測試裝置Fig.2 Test device for heat storage and release characteristic of composite phase change coatings

圖3 試驗裝置構(gòu)造圖Fig.3 Test device structure drawing

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合相變涂料

2.1.1 復(fù)合相變涂料的微觀形貌

對普通涂料及復(fù)合相變涂料進行掃描電鏡分析,圖4為普通涂料與復(fù)合相變涂料的掃描電鏡圖像。從圖4(a)中可以看出普通涂料的表面是由形狀不規(guī)則的顆粒物組成,并且顆粒物之間還存在孔隙,這種多孔結(jié)構(gòu)也為微膠囊相變材料(MPCM)在其表面的附著提供良好的機械強度。而在圖4(b) 復(fù)合相變涂料的微觀結(jié)構(gòu)圖中,眾多微膠囊相變材料均勻吸附在涂料表面,未出現(xiàn)明顯破裂現(xiàn)象,且大多數(shù)MPCM均能保持其原始的形態(tài)。這表明,微膠囊相變材料與涂料的兼容性較好。

圖4 普通涂料和復(fù)合相變涂料的掃描電鏡圖像Fig.4 SEM images of ordinary coatings and composite phase change coatings

2.1.2 復(fù)合相變涂料的相變特性

微膠囊相變材料和復(fù)合相變涂料的差式掃描量熱(differential scanning calorimetry,DSC)曲線如圖5所示。微膠囊相變材料熔化過程和凝固過程的相變初始溫度分別為25.75和23.16 ℃;微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂料熔化過程的相變初始溫度分別為27.12、26.27、25.23 ℃,凝固過程的相變初始溫度分別為23.22、25.30、24.98 ℃。微膠囊相變材料和復(fù)合相變涂料的相變峰值溫度和相變潛熱見表2。微膠囊相變材料熔化過程和凝固過程的相變潛熱分別為186.07和188.45 J/g。隨著微膠囊相變材料含量的增加,復(fù)合相變涂料熔化和凝固過程中的相變潛熱逐漸增大。微膠囊相變材料含量為10%、20%和30%的復(fù)合相變涂料熔化過程的相變潛熱分別為14.03、84.23及90.10 J/g;凝固過程的相變潛熱分別為13.53、86.64及93.85 J/g。

圖5 微膠囊相變材料及復(fù)合相變涂料的DSC曲線Fig.5 DSC curves of MPCM and composite phase change coatings

表2 微膠囊相變材料和復(fù)合相變涂料的相變峰值 溫度和相變潛熱Table 2 Phase change peak temperature and latent heat of microcapsule phase change material and composite phase change coatings

2.1.3 復(fù)合相變涂料的熱穩(wěn)定性

微膠囊相變材料和復(fù)合相變涂料的熱重曲線如圖6所示?？梢钥闯?微膠囊相變材料從60 ℃開始熱失重,500 ℃時質(zhì)量剩余僅為4%,復(fù)合相變涂料熱重曲線的變化趨勢基本一致,復(fù)合相變涂料均在70 ℃左右開始熱失重。隨著微膠囊相變材料含量的增加,復(fù)合相變涂料的熱穩(wěn)定性有所降低。微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂料500 ℃時質(zhì)量剩余分別為91%、84%、78%。

圖6 微膠囊相變材料及復(fù)合相變涂料的熱重曲線Fig.6 Thermogravimetric curves of MPCM and composite phase change coatings

2.2 復(fù)合相變涂層的蓄放熱特性

2.2.1 復(fù)合相變涂層的調(diào)溫特性

復(fù)合相變涂層升溫階段(0～65 ℃)的表面溫度變化如圖7所示。圖7中(1) (2) (3) (4)分別代表普通涂層和微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂層。在1～16 min時間段內(nèi),普通涂層表面溫度增加了25.7 ℃,微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂層表面溫度增加了23.4、22.1、19.9 ℃。可以看出,升溫階段,復(fù)合相變涂層的溫度變化速率比普通涂層慢,蓄熱能力比普通涂層有明顯提升。

圖7 復(fù)合相變涂層升溫階段的表面溫度變化Fig.7 Surface temperature changes of the compositephase change coatings at the heating stage

微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂層的表面溫度隨時間的變化曲線如圖8所示?？梢钥闯?微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂層的升溫曲線相似,復(fù)合相變涂層的表面溫度始終低于普通涂層,復(fù)合相變涂層與普通涂層的表面溫差隨著時間的推移逐漸增大,且隨著微膠囊相變材料含量的增加,復(fù)合相變涂層與普通涂層的表面溫差呈遞增趨勢。在16 min時,微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂層與普通涂層的表面溫差分別為4.9、5.9、8.7 ℃。這表明,復(fù)合相變涂層具有良好的調(diào)溫效果。

圖8 涂層的表面溫度隨時間的變化曲線Fig.8 Surface temperature curve of coating with time

2.2.2 復(fù)合相變涂層的蓄放熱特性

圖9為復(fù)合相變涂層的蓄放熱特性曲線．從圖9可以看出,涂有復(fù)合相變涂層水泥板的內(nèi)表面升溫速率隨著微膠囊相變材料含量的增加而降低。在升溫階段(0～30 min),普通涂層的表面峰值溫度可達到44.8 ℃,而微膠囊相變材料含量為10%、20%和30%的復(fù)合相變涂層的表面峰值溫度依次為44.4、43.9和41.3 ℃。與普通涂層相比,分別降低了0.4、0.9和3.5 ℃。而在降溫階段(30～90 min),隨著微膠囊相變材料含量的增加,復(fù)合相變涂層的降溫速率逐漸降低。90 min時,普通涂層的表面溫度最低為21.2 ℃。而復(fù)合相變涂層的表面溫度依次為21.8、22.3和24.2 ℃,分別提高了0.6、1.1和3.0 ℃。

圖10為水泥板內(nèi)表面熱流密度的變化曲線,在升溫階段(0～30 min),普通涂層的熱流密度不斷增加;而復(fù)合相變涂層的熱流密度出現(xiàn)下降的趨勢,且微膠囊相變材料的含量越高,下降趨勢持續(xù)的時間越長。其原因為在升溫過程中,當(dāng)復(fù)合相變涂層的溫度達到微膠囊相變材料的相變溫度時,微膠囊變材料的芯材會吸熱融化,使表面熱流密度降低,且微膠囊相變材料含量越多,吸熱量隨之增加。

圖9 內(nèi)表面溫度變化曲線Fig.9 Temperature variation curve of inner surface composite phase change coating

圖10 內(nèi)表面熱流密度變化曲線Fig.10 Change curve of heat flux on inner surface

2.2.3 復(fù)合相變涂層的室內(nèi)溫度變化特性

蓄放熱特性測試裝置中室內(nèi)溫度隨時間的變化曲線如圖11所示測試裝置內(nèi)的初始室溫均為22 ℃。在升溫階段(0～30 min),室內(nèi)升溫速率隨著微膠囊相變材料含量的增加而降低。30 min時微膠囊相變材料含量為0、10%、20%和30%的復(fù)合相變涂層的室內(nèi)溫度達到峰值,分別為36.3、35.5、35.0和33.1 ℃,復(fù)合相變涂層與普通涂層的溫差逐漸增大,最大為3.2 ℃。而在降溫階段(30～90 min),室內(nèi)降溫速率會隨著微膠囊相變材料含量的增加而降低。當(dāng)室內(nèi)空氣從初始室溫升高到33 ℃時,普通涂層所需時間為20.5 min。然而,微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂層所需時間分別為22、23.5和28.5 min,室內(nèi)空氣溫度分別延遲了1.5、3和8 min。如圖11中的陰影部分所示,在升溫階段(0～30 min),普通涂層室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時間為6 min,而微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂層保持24～28 ℃的時間分別為7、7.5和9 min。這是由于微膠囊相變材料的蓄熱作用引起的。在降溫階段(30～90 min),普通涂層室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時間為17 min,微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂層保持24～28 ℃的時間分別為21、26.5和37.5 min。

圖11 室內(nèi)溫度隨時間的變化曲線Fig.11 Variation curve of indoor temperature with time

整個溫度變化過程中,普通涂層室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時間為23 min,微膠囊相變材料含量為10%、20%、30%的復(fù)合相變涂層室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時間分別為28、34和46.5 min。與普通涂層相比,隨著微膠囊相變材料含量的增加,復(fù)合相變涂層室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時間逐漸增加,微膠囊相變材料含量為30%的復(fù)合相變涂層室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時間比普通涂層延長23.5 min。這是由于當(dāng)室內(nèi)空氣溫度低于相變溫度時,微膠囊相變材料可將其儲存的熱量釋放到室內(nèi)空氣中,延長了室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時間?？梢钥闯?復(fù)合相變涂層能明顯降低峰值溫度和溫度的波動范圍,起到調(diào)節(jié)室溫的作用。

3 結(jié)論

將微膠囊相變材料加入到膩子粉中制備復(fù)合相變涂料,對其微觀形貌、相變特性和熱穩(wěn)定性進行了表征。將復(fù)合相變涂料應(yīng)用于水泥板內(nèi)表面,研究微膠囊相變材料含量對復(fù)合相變涂層蓄熱調(diào)溫性能的影響,主要結(jié)論如下。

(1)球形微膠囊相變材料與涂料的兼容性較好,在涂料中均勻分布。隨著微膠囊相變材料含量的增加,復(fù)合相變涂料熔化和凝固過程中的相變潛熱逐漸增大．復(fù)合相變涂料均在70 ℃左右開始熱失重．隨著微膠囊相變材料含量的增加,復(fù)合相變涂料的熱穩(wěn)定性有所降低。

(2)復(fù)合相變涂層的溫度變化速率比普通涂層慢,蓄熱能力比普通涂層有明顯提升,且能明顯降低峰值溫度和溫度的波動范圍。

(3)與普通涂層相比,隨著微膠囊相變材料含量的增加,復(fù)合相變涂層室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時間逐漸增加,微膠囊相變材料含量為30%的復(fù)合相變涂層室內(nèi)溫度保持24～28 ℃的時間比普通涂層延長23.5 min。