自調(diào)溫相變木塑復(fù)合材料擠出工藝與性能研究

張建群，李勇

（山東通佳機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)寧 272100）

自調(diào)溫相變木塑復(fù)合材料擠出工藝與性能研究

張建群，李勇

（山東通佳機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)寧 272100）

本文將相變物質(zhì)引入木塑復(fù)合材料中，研究了材料的擠出工藝以及加熱和冷卻過程中材料表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，分析得出相變物質(zhì)的加入減緩了溫度的變化速度，使得木塑復(fù)合材料具有儲(chǔ)能的作用。

相變材料；木塑復(fù)合材料；擠出；溫度調(diào)節(jié)

自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了能源危機(jī)及大量能源消耗導(dǎo)致的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，人們一直在研究高效能源、節(jié)能技術(shù)、可再生環(huán)保型能源、太陽(yáng)能利用技術(shù)等。其中，相變儲(chǔ)能技術(shù)［1］是提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù)。

相變材料［1～2］是指在其物相變化過程中，可以與外界環(huán)境進(jìn)行能量交換，從而達(dá)到控制環(huán)境溫度和利用能量的目的的材料。相變材料在特定溫度范圍內(nèi)發(fā)生相態(tài)變化，在此過程中具有吸收或釋放熱量的性能。相變材料在相變發(fā)生前后溫度變化不大，會(huì)形成一個(gè)較寬的溫度平臺(tái)，可以將溫度變化維持在一個(gè)較小的、使人體感到舒適［3］的范圍內(nèi)。如果在室內(nèi)的地板和天花板使用相變材料，則可將室內(nèi)溫度變化梯度降低到小于5 ℃的舒適狀態(tài)。

有資料顯示，建筑領(lǐng)域能源消耗占社會(huì)能源總耗量的1/3。提高建筑領(lǐng)域［5］能源使用效率、降低建筑能耗，對(duì)于整個(gè)社會(huì)節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境都具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響。隨著高層建筑的快速發(fā)展，大量采用熱容比較低的輕質(zhì)建筑材料，不利于平抑室內(nèi)溫度波動(dòng)。而在輕質(zhì)建筑材料中加入相變材料是解決這一問題的有效方法。因此，相變材料在建筑節(jié)能、新能源利用、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，［4］是近年來能源科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的前沿研究方向。

本文在現(xiàn)有植物纖維復(fù)合高分子木塑材料［6］中引入低分子相變材料，形成一種多組分相變復(fù)合材料，利用該材料的相態(tài)變化產(chǎn)生的吸熱和放熱效應(yīng)，保持材料的恒溫性，用于生產(chǎn)節(jié)能保溫、恒溫的家居裝飾材料。

1 工藝概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

設(shè)備及廠家如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備表

表2 實(shí)驗(yàn)原料表

1.2 試驗(yàn)原料

原料及廠家如表2。

1.3 工藝流程

首先加入木粉、活性碳酸鈣、PVC、發(fā)泡劑等原料進(jìn)行高速混合，接著進(jìn)行低速混合冷卻。然后把混合好的物料通過上料機(jī)送至料斗內(nèi)，在木塑專用螺桿擠出塑化混合作用下物料被塑化并混合均勻，進(jìn)入模具冷卻定型，最后成型為制品。

利用化學(xué)漸擴(kuò)式工藝進(jìn)行模內(nèi)發(fā)泡以利于形成光滑的表皮結(jié)構(gòu)。與熱模融為一體的冷定型模采用循環(huán)水冷卻，實(shí)現(xiàn)快速定型。流程如圖1所示。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

1.4 加工工藝參數(shù)

加工工藝參數(shù)如表3所示。

2 性能試驗(yàn)部分

2.1 復(fù)合材料基本配方

復(fù)合材料的基本配方如表4所示。

采用擠出發(fā)泡工藝，制備出相變材料含量不同的復(fù)合材料試板，并添加不同顏色的著色劑，用于下面的性能試驗(yàn)研究。

2.2 儲(chǔ)熱性[7]研究

（1）加熱過程。將復(fù)合材料試板放置在86 ℃恒溫鼓風(fēng)電熱烘箱中。從室溫開始加熱，并使用紅外測(cè)溫儀測(cè)定材料表面溫度，直到材料表面溫度穩(wěn)定為止。

（2）冷卻過程。將復(fù)合材料試板加熱到80 ℃，然后放置在室溫下自然冷卻，使用紅外測(cè)溫儀測(cè)試材料表面溫度，直至溫度穩(wěn)定為止。

圖2 加熱過程的時(shí)間/溫度曲線

圖3 冷卻過程的時(shí)間/溫度曲線

表3 工藝參數(shù)表

表4 復(fù)合材料基本配方表

2.3 微觀結(jié)構(gòu)表征

利用掃描電子顯微鏡（日立SE3500）觀察復(fù)合相變材料的微觀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合材料儲(chǔ)熱性分析

采用現(xiàn)有常用的陶瓷板作為對(duì)照材料，測(cè)試并比較了陶瓷板和不同含量相變物質(zhì)的復(fù)合材料的儲(chǔ)熱性能。

圖2為加熱過程中溫度隨時(shí)間的變化，可以看出陶瓷般的升溫速度要遠(yuǎn)大于復(fù)合材料的升溫速度。圖3為冷卻過程中溫度隨時(shí)間的變化，能夠看出陶瓷板的降溫速度遠(yuǎn)大于復(fù)合材料的降溫速度。

由此可以看出，在加熱過程中開始階段升溫都較快，當(dāng)達(dá)到相變物質(zhì)的相變溫度時(shí)，相變物質(zhì)開始吸收熱量發(fā)生了由固態(tài)向液態(tài)的相態(tài)變化，將能量?jī)?chǔ)存在體內(nèi)，從而減緩了復(fù)合材料的升溫速度。而冷卻開始時(shí)溫度下降較快，當(dāng)溫度到達(dá)相變物質(zhì)的相變溫度時(shí)，相變物質(zhì)開始由液態(tài)轉(zhuǎn)向固態(tài)，儲(chǔ)存在其體內(nèi)的能量逐漸釋放出來，因而減慢了復(fù)合材料的降溫速度。結(jié)果表明，添加了相變物質(zhì)的復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)能量的吸收和釋放，從而有效地自調(diào)節(jié)溫度。

圖4 復(fù)合材料在加熱過程和冷卻過程中的SEM圖像

3.2 復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)表征

圖4為相變物質(zhì)含量15%的復(fù)合材料在加熱和冷卻過程中的SEM圖像。由圖4（a）能夠看出加有復(fù)合材料中相變物質(zhì)呈液相狀態(tài)。而圖4（b）復(fù)合材料中的相變物質(zhì)已成凝固狀。這說明了復(fù)合材料中的相變物質(zhì)發(fā)生了固液相的相態(tài)轉(zhuǎn)變，同時(shí)伴隨著能量的吸收和釋放，也從微觀角度印證了上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)論

采用擠出發(fā)泡工藝制備出含有相變物質(zhì)的木塑復(fù)合材料，通過試驗(yàn)測(cè)試顯示出該材料具有自調(diào)溫的功能，能夠有效控制溫度的變化，減小溫度的變化幅度。

本文對(duì)自調(diào)溫相變木塑復(fù)合材料的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行了探究，將木塑復(fù)合材料的功能做了積極地外延，對(duì)于該復(fù)合材料用于家居裝飾等領(lǐng)域起到節(jié)能環(huán)保的作用是一項(xiàng)有益的探索。如果將該材料用于室內(nèi)裝飾方面，能夠使室內(nèi)的溫度波動(dòng)變小，使得舒適度有效提升。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們?nèi)找孀非缶G色、環(huán)保、節(jié)能的材料［8］。將具有自動(dòng)相變功能的物質(zhì)與現(xiàn)有的環(huán)保材料相結(jié)合，成為結(jié)構(gòu)性能一體化的新型節(jié)能環(huán)保材料［9～10］，用于裝飾、建筑等各領(lǐng)域，符合發(fā)展的趨勢(shì)，也具有明顯的社會(huì)效益和巨大的市場(chǎng)潛力［11］。

［1］ Mohammed M Farid， Amar M Khudhair， Siddique Ali K，etai. A review on phase change energy storage： Materials and applications ［J］. Energy Conversion Manage， 2004，45：1 603～1 608.

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［5］ 李愛菊，張仁元，黃金. 定形相變儲(chǔ)能材料的研究進(jìn)展及其應(yīng)用［J］. 新技術(shù)工藝，2004（2）：45～48.

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Study of extruding processing and regulating temperature property of phase change wood plastic composites

Study of extruding processing and regulating temperature property of phase change wood plastic composites

Zhang Jianqun, Li Yong
(Shandong Tongjia Machinery Co., Ltd., Jining 272100, Shandong, China)

In this paper, phase change materials were introduced into wood-plastic composite materials. The paper studies the extrusion process, and the relationship between the surface temperature during heating and cooling process and time change, analyzes the result that the added phase change material slows the rate of temperature change, which gives a storage role to the wood-plastic composite.

phase change material; wood-plastic composite; extrusion; temperature regulation

TQ320.663

1009-797X（2015）22-0075-04

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.031

（R-03）

張建群，男，山東通佳機(jī)械有限公司董事長(zhǎng)，總工程師，國(guó)務(wù)院政府特貼專家，中國(guó)塑料機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，從事塑機(jī)、塑料工藝、高分子材料的研究開發(fā)和科研管理工作30多年。

2015-07-16