復(fù)合定型相變儲能保溫材料月桂酸—膨脹珍珠巖試驗(yàn)研究

劉杰勝，木子佳靚，張 娟，楊厚林，馮 彪，江 凱，李 祥，劉輝凱，文君豪

(武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430023)

隨著全球能源日益短缺和節(jié)能觀念的普及，相變儲能技術(shù)越來越成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1］。利用相變材料在相變過程中的吸熱和放熱特性可進(jìn)行熱能儲存和溫度調(diào)節(jié)控制，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的［2］。目前常用的相變儲能材料主要包括無機(jī)物和有機(jī)物兩大類。相對于無機(jī)相變材料，有機(jī)相變材料具有腐蝕性小、化學(xué)性能穩(wěn)定、在相變過程中幾乎沒有相分離、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但有機(jī)相變材料在固—液相變中出現(xiàn)液體滲漏等問題，制約了有機(jī)相變材料的應(yīng)用［3］。研究表明:采用制備定形相變材料能有效解決有機(jī)相變材料滲漏問題［4］。筆者利用膨脹珍珠巖、月桂酸等物質(zhì)制備得到一種復(fù)合定形相變儲能材料，并對其性能及微相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

相變材料:月桂酸，化學(xué)純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。載體材料:膨脹珍珠巖，信陽市平橋區(qū)恒通礦產(chǎn)品材料廠，其化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 膨脹珍珠巖組成 /%

1.2 制備

將載體材料膨脹珍珠巖和相變材料月桂酸在恒溫水浴鍋中共同加熱到60℃，邊加熱邊攪拌，恒溫20 min，將月桂酸和膨脹珍珠巖共同倒人密閉釜中，開動真空水泵。真空吸附一段時間以后關(guān)閉真空泵，重復(fù)以上操作若干次，則可制得相變膨脹珍珠巖。

1.3 測試與表征

1.3.1 差熱分析

采用美國PE公司的Diamond TG/DTA 6000熱重/差熱綜合分析儀，溫度范圍－13—100℃，采用氮?dú)鈿夥?，升溫速?℃/min。

1.3.2 相變膨脹珍珠巖的月桂酸滲出性研究

測試相變膨脹珍珠巖在80℃下熱處理2 h后月桂酸在濾紙上的滲出比率。

1.3.3 掃描電鏡SEM

掃描電鏡為JEOL(日本電子)公司生產(chǎn)的JSM-5610LV型號掃描電子顯微鏡，其分辨率為3 nm，加速電壓為0.5—30 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱重/差熱分析

膨脹珍珠巖是輕質(zhì)微孔材料，微孔大小不一，微孔結(jié)構(gòu)是相變材料的理想載體。圖1為月桂酸融化過程的DTA曲線。通過分析，月桂酸的相變初始溫度為44.01℃，相變結(jié)束溫度為46.60℃，測試樣品質(zhì)量為5.12 mg，在44.01—46.60 ℃ 之間有一個明顯較大的吸熱峰，相變溫度范圍為2.59℃。圖2為復(fù)合相變材料融化過程的DTA曲線。該復(fù)合相變材料初始溫度為44.61℃，相變結(jié)束溫度為46.60 ℃，測試樣品質(zhì)量在5.9mg，在44.61—46.60℃之間有一個明顯的較大的吸熱峰，相變溫度范圍為1.99 ℃。

分析對比表明，相變材料被活性吸附后其相變初始溫度和相變范圍幾乎保持不變，其熱性能基本不受影響。表明膨脹珍珠巖可作為月桂酸的載體進(jìn)行儲熱。

圖1 月桂酸的DTA曲線

圖2 月桂酸—膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料DTA曲線

2.2 滲出性

試驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹珍珠巖對月桂酸有較好的吸附能力，但是在高摻量的情況下，月桂酸易滲出。從表2可知，當(dāng)月桂酸達(dá)到45%時，有細(xì)微滲出，隨著摻量的不斷增大，滲出率增大。為保證使用效果和經(jīng)濟(jì)性，建議在建筑中使用的月桂酸和膨脹珍珠巖構(gòu)成的定型相變材料時，月桂酸的摻入量不宜超過30%。

表2 滲出性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 SEM

圖3所示為膨脹珍珠巖SEM圖。從圖3中可知，膨脹珍珠巖呈現(xiàn)出半球型明顯的圓弧裂開，由于表面熱力學(xué)性質(zhì)改變產(chǎn)生的變形使其呈鱗片狀多孔結(jié)構(gòu)，片層間有許多蜂窩狀的微細(xì)孔隙，大部分孔徑為幾納米到幾百納米之間。圖4所示為吸附月桂酸的膨脹珍珠巖SEM照片?？梢钥闯觯蛎浾渲閹r孔中吸附有機(jī)羧酸后，孔結(jié)構(gòu)依然保持鱗片狀，且片層之間有明顯粘聯(lián)狀況，但孔隙內(nèi)吸附了一定量月桂酸。這說明復(fù)合定型相變材料中的月桂酸與膨脹珍珠巖有較好的相容性。

圖3 膨脹珍珠巖SEM圖

圖4 月桂酸—膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料SEM圖

膨脹珍珠巖具有很強(qiáng)的吸附性能主要是由其特殊的吸附表面結(jié)構(gòu)特性和表面化學(xué)特性所決定的。這里的吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。膨脹珍珠巖表面含有大量的羥基、羧基、脂肪烴基等活性官能團(tuán)，這些活性位點(diǎn)與相變材料月桂酸結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)易形成氫鍵等化學(xué)鍵，形成化學(xué)吸附［5］。

此外，膨脹珍珠巖具有較大的比表面積和微孔結(jié)構(gòu)，其界面的相互作用較強(qiáng)，能將月桂酸和膨脹珍珠巖充分地結(jié)合起來。同時，由范德華力對相變材料分子產(chǎn)生的物理吸附作用也占很大比例［6-7］。

3 結(jié)論

月桂酸與膨脹珍珠巖有很好的相容性，因此由月桂酸—膨脹珍珠巖構(gòu)成的相變材料很穩(wěn)定，當(dāng)相變材料中月桂酸含量不超過30%時，月桂酸幾乎不會滲透出來，被活性吸附后其相變初始溫度和相變范圍幾乎保持不變，其熱性能基本不受影響。說明膨脹珍珠巖可作為月桂酸的載體進(jìn)行儲熱。

［1］唐志偉，趙化濤，陳志峰.硬脂酸與Na2HPO4·12H2O混合相變材料儲能性能［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，35(6):809-814.

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