一種BIPV光伏建筑材料制備及應(yīng)用性能試驗(yàn)

關(guān)鍵詞：石蠟；膨脹石墨；相變材料；相變潛熱；熱穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TQ050.4；TB34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0084-04

相變材料（PCM）可以吸收或釋放大量的潛熱，是一種較好的節(jié)能環(huán)保型材料[1]。對(duì)此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。如以正十四烷（C14）為相變材料，與石墨（EG）結(jié)合制備了一種低溫相變水泥基材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究[2]。通過在水泥中摻入不同摻量的相變微膠囊，制備了一種水泥基復(fù)合材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究[3]。以石蠟、膨脹珍珠巖和苯丙乳液，制備了一種相變儲(chǔ)能砂漿，并研究其性能[4]。基于此，本實(shí)驗(yàn)以石蠟為相變材料，以膨脹石墨為載體，制備一種復(fù)合相變材料。然后將復(fù)合相變材料以不同摻量加入到水泥中，制備BIPV光伏建筑材料，并研究其性能。

1試驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

主要材料：P·O42.5普通硅酸鹽水泥（工業(yè)純，鄭州建信耐火材料）；石蠟（工業(yè)純，臨沂成聚化工）；膨脹石墨（工業(yè)純，靈壽縣冀路礦產(chǎn)）。

主要設(shè)備：RD1020型電子天平（深圳市榮達(dá)儀器）；HH-1S型水浴鍋（河北金達(dá)來建筑器材）；ZS-20H型水泥膠砂攪拌機(jī)（河北玲鑫儀器）；DYJG-9023型真空干燥箱（杭州億捷科技）；Multi?Mode8型掃描電子顯微鏡（上海鉑悅儀器）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗(yàn)機(jī)（北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備）；DZ-DSC300C型差示掃描熱量?jī)x（南京大展檢測(cè)儀器）；LD-TGA101型熱重分析儀器（北京航天偉創(chuàng)設(shè)備）；MS-GDWS-512L型恒溫恒濕試驗(yàn)箱（廣州銘晟試驗(yàn)設(shè)備）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1BIPV光伏建筑材料的制備

本試驗(yàn)中，采用的相變材料為石蠟，并以膨脹石墨為載體，制備一種復(fù)合相變材。然后將該復(fù)合相變材料以不同摻量添加到普通硅酸鹽水泥中，制備BIPV光伏建筑材料。

按照2∶8的質(zhì)量比例，用電子天平稱取適量的石蠟和膨脹石墨，備用[5-6]。

在燒杯中加入適量的石蠟。將燒杯放入水浴鍋內(nèi)，控制溫度在70℃，直到石蠟全部熔化。

分3次向燒杯中加入稱量好的膨脹石墨，每次加入時(shí)注意持續(xù)攪拌，每次攪拌時(shí)長(zhǎng)10min。

將燒杯從水浴鍋中取出，在室溫環(huán)境下自然冷卻，期間持續(xù)進(jìn)行攪拌處理，直至燒杯中的樣品均勻無結(jié)塊，，獲得復(fù)合相變材料，備用。

根據(jù)試驗(yàn)需要將適量的復(fù)合相變材料和P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，一起加入到水泥膠砂攪拌機(jī)中，進(jìn)行干粉混合，然后加入適量的水，繼續(xù)攪拌混合，獲得水泥砂漿。

在模具內(nèi)側(cè)刷一層潤(rùn)滑油，然后將水泥砂漿倒入模具中，注意插搗成型，排除砂漿內(nèi)部的氣泡。將模具用塑料薄膜密封，放置在室溫環(huán)境中，24h后進(jìn)行脫模處理。設(shè)置養(yǎng)護(hù)機(jī)溫度為35℃，將試樣放入其中養(yǎng)護(hù)7d。取出試樣，放入恒溫65℃干燥箱中進(jìn)行烘干處理12h，獲得復(fù)合BIPV光伏建筑材料試件。

1.2.2相變儲(chǔ)能地板的制備

（1）在木制模具內(nèi)側(cè)刷上一層潤(rùn)滑油，然后根據(jù)1.2.1中的步驟制備好復(fù)合相變水泥砂漿，加入木制模具中，注意插搗成型；

（2）待木制模具中的砂漿放置1h后，用抹灰刀磨平模具邊緣多余的漿料，使地板材料平整；

（3）將木制模具在室溫下放置7h，期間每隔12h向砂漿表面噴灑一定水分，使其濕潤(rùn)，然后用塑料薄膜密封。脫模，獲得相變儲(chǔ)能地板。

1.3性能測(cè)試

強(qiáng)度試驗(yàn)：通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)BIPV光伏建筑材料進(jìn)行測(cè)試，分析其抗折、抗壓強(qiáng)度。

差示掃描量熱（DSC）分析：使用差示掃描量熱儀對(duì)復(fù)合相變材料進(jìn)行DSC分析，研究砂漿的儲(chǔ)能情況。

微觀形貌：通過掃描電鏡（SEM）對(duì)復(fù)合相變材料試件進(jìn)行觀察，分析其微觀結(jié)構(gòu)。

熱穩(wěn)定性：通過熱重分析儀對(duì)試件進(jìn)行熱重分析（TGA），并通過試驗(yàn)箱對(duì)試件進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，分析復(fù)合相變材料的熱穩(wěn)定性。

2結(jié)果與分析

2.1力學(xué)性能

本試驗(yàn)將復(fù)合相變材料以不同摻量加入到P·O 42.5普通硅酸鹽水泥中，制備BIPV光伏建筑材料，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

由圖1（a）可知，當(dāng)光伏建筑材料試件中摻入的復(fù)合相變材料增多時(shí)，材料的抗壓強(qiáng)度迅速降低。對(duì)于未添加復(fù)合相變材料的純水泥基試件，其抗壓強(qiáng)度為31.22MPa；當(dāng)摻入10%的復(fù)合相變材料時(shí)，抗壓強(qiáng)度迅速降低至21.35MPa，降幅為31.6%；當(dāng)試件中的復(fù)合相變材料摻量繼續(xù)增加至40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降至最低，僅為4.19MPa，對(duì)比純水泥基試件降低86.6%。

由圖1（b）可知，隨著復(fù)合相變材料摻量不斷增多，BIPV光伏建筑材料的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)降低的變化，這種現(xiàn)象與抗壓強(qiáng)度的變化情況相似。對(duì)于純水泥基試件，其抗折強(qiáng)度達(dá)到4.8MPa；當(dāng)摻入10%復(fù)合相變材料時(shí)，抗折強(qiáng)度降低到3.7MPa，對(duì)比純水泥基試件降低22.9%；當(dāng)復(fù)合相變材料的摻量繼續(xù)增多至40%時(shí)，抗折強(qiáng)度最低，僅為2.3MPa，這與純水泥基試件相比，降低了52.1%。結(jié)合以上現(xiàn)象可知，將復(fù)合相變材料摻入水泥基材料中，會(huì)使原本水泥基材料的力學(xué)性能下降。

2.2DSC分析

本試驗(yàn)對(duì)不同復(fù)合相變材料摻量的光伏建筑材料試件進(jìn)行DSC測(cè)試，分析材料的相變溫度（Tpeak）和相變潛熱（DH），結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)試件中摻入的復(fù)合相變材料增多時(shí)，試件的Tpeak和ΔH呈現(xiàn)不斷增加的現(xiàn)象。對(duì)于未添加復(fù)合相變材料的純水泥基試件，由于其不含相變材料，幾乎無法測(cè)得其相變溫度和相變潛熱。這表明，純水泥基材料不具備吸收和潛熱的能力。當(dāng)復(fù)合相變材料的摻入從10%增加至30%時(shí)，T_peak從32.8℃增加到39.1℃，而DH則由9.3kJ/kg升高至28.7kJ/kg。由此可見，復(fù)合相變材料摻量的增多，可以提高材料的相變溫度和相變潛熱，其中，相變溫度的提高程度較小，而相變潛熱的提高幅度較大。當(dāng)水泥基試件中摻入的復(fù)合相變材料達(dá)到40%時(shí)，T_peak和DH均達(dá)到最大值，分別為39.7℃、44.5kJ/kg。由此可知，當(dāng)復(fù)合相變材料的摻量大于或等于30%時(shí)，試件的T_peak基本達(dá)到39℃以上，而試件的DH隨復(fù)合相變材料的摻量的增多大幅度提高。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)選擇在水泥基材料中摻入30%的復(fù)合相變材料，制備復(fù)合BIPV光伏建筑材料，此時(shí)，材料有一定的力學(xué)強(qiáng)度，相變儲(chǔ)能性質(zhì)較好。

2.3SEM分析

本試驗(yàn)對(duì)膨脹石墨、復(fù)合相變材料以及摻入30%制備的復(fù)合BIPV光伏建筑材料進(jìn)行SEM分析，水泥會(huì)對(duì)復(fù)合相變材料進(jìn)行包覆，進(jìn)而抑制石蠟相變材料的漏出情況，增加材料的整體穩(wěn)定性。綜上，本試驗(yàn)中制備的復(fù)合BIPV光伏建筑材料結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

2.4熱穩(wěn)定性

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)對(duì)復(fù)合相變材料以及摻入30%的BIPV光伏建筑材料進(jìn)行熱失重分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，對(duì)于復(fù)合相變材料，當(dāng)溫度在200℃以下時(shí)，其質(zhì)量幾乎沒有損失。由此可見，當(dāng)溫度小于200℃時(shí)，復(fù)合相變材料的熱穩(wěn)定性較好。當(dāng)溫度在200～275℃時(shí)，質(zhì)量出現(xiàn)迅速下降，質(zhì)量損失達(dá)到80.51%，這種現(xiàn)象發(fā)生的原因是，復(fù)合相變材料中含有大量的石蠟，在高溫環(huán)境下，石蠟會(huì)分解，因此，材料的質(zhì)量下降。當(dāng)溫度高于275℃時(shí)，復(fù)合相變材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎保持不變，這表明，在溫度200～275℃時(shí)，石蠟幾乎完全分解，而剩下的膨脹石墨在溫度超過275℃時(shí)依然較穩(wěn)定，所以，材料質(zhì)量變化較小[10-11]。而對(duì)于摻入30%的BIPV光伏建筑材料，在溫度漸漸升高至200℃的過程中，材料質(zhì)量緩慢下降。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能是，在高溫環(huán)境下，水泥基材料中的水化產(chǎn)物不斷脫水或分解，因此，材料的質(zhì)量降低[12]。當(dāng)溫度在200～250℃時(shí)，該材料質(zhì)量出現(xiàn)小幅度迅速下降。當(dāng)溫度為250℃時(shí)，質(zhì)量損失達(dá)到14.87%，這主要是由材料中的石蠟分解引起的，屬于石蠟的熱分解階段。當(dāng)溫度超過250℃時(shí)，隨著溫度繼續(xù)升高，BIPV光伏建筑材料的質(zhì)量下降程度較小。在溫度250～500℃時(shí)，BIPV光伏建筑材料的質(zhì)量損失小于10%，這主要是在高溫環(huán)境下，水泥基材料中水化產(chǎn)物的羥基結(jié)構(gòu)水脫離引起的[13]。綜合來看，在整個(gè)熱失重測(cè)試過程中，BIPV光伏建筑材料的整體質(zhì)量損失率僅為33.2%。BIPV光伏建筑材料的分解溫度遠(yuǎn)超過正常建筑材料的工作溫度。因此，本試驗(yàn)制備的復(fù)合BIPV光伏建筑材料的熱穩(wěn)定性較好，可以作為建筑儲(chǔ)能材料使用。

2.5實(shí)際應(yīng)用效果

對(duì)其在太陽能供暖系統(tǒng)中的儲(chǔ)能效果進(jìn)行測(cè)試，與普通地板材料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，當(dāng)?shù)匕骞┧疁囟壬?，普通地板和相變?chǔ)能地板的表面最高溫度均提高，且普通地板與相變儲(chǔ)能地板的最高溫度無較大差異。在升溫時(shí)間方面，當(dāng)?shù)匕骞┧疁囟葹?0℃時(shí)，相變儲(chǔ)能地板表面溫度升高至最高溫度用時(shí)是普通地板的1.18倍，延長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到24min；當(dāng)?shù)匕骞┧疁囟葹?5℃時(shí)，相變儲(chǔ)能地板溫度上升的時(shí)間是普通地板的1.27倍，延長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到43min。這表明，地板供水溫度越高，相變儲(chǔ)能地板的儲(chǔ)能效果越明顯。另外，在降溫方面，當(dāng)?shù)匕骞┧疁囟葹?5℃時(shí)，相變儲(chǔ)能地板從最高溫度降到常溫溫度23℃的時(shí)間是普通地板的1.39倍。這表明，在降溫方面，相變儲(chǔ)能地板的延時(shí)效果更加明顯，因此，本試驗(yàn)制備的相變儲(chǔ)能地板具備儲(chǔ)能效果，可以將地板表面的溫度維持較長(zhǎng)時(shí)間，起到保暖、節(jié)能等作用。

3結(jié)語

（1）復(fù)合相變材料的摻入會(huì)降低水泥基材料的抗折、抗壓強(qiáng)度，但可以提高材料的相變溫度和相變潛熱；

（2）最佳復(fù)合相變材料摻量為30%，此時(shí)，BIPV光伏建筑材料的抗壓、抗折強(qiáng)度分別為7.46、2.6MPa，相變溫度和相變潛熱分別為39.1℃、28.7kJ/kg，熱穩(wěn)定性較好；

（3）與普通地板相比，本試驗(yàn)制備的相變儲(chǔ)能地板具備良好的升溫、降溫延遲效果，儲(chǔ)能效果良好，可以起到保暖、節(jié)能等作用。