相變材料的研究進展及應用

王迎斌,張海峰,賀行洋,肖虎成

(湖北工業大學土木建筑與環境學院,武漢430068)

隨著人口劇增和國民經濟的快速發展,人類社會對能源的需求日益增大和傳統化石能源的枯竭,能源危機日趨嚴重。解決能源危機的途徑主要有開發可再生新能源和提高能源利用率兩大類。可再生新能源主要包括太陽能、風能、水能、地熱能、潮汐能等。但是可再生新能源存在分布不均勻、地區差異大、開發成本高等缺陷,限制了進一步的開發與利用,因此提高能源利用率顯得尤為重要。相變材料(Phase Change Materials)又稱相變儲能材料,自身不產生任何形式的能量,通過相態變化實現外界環境中多余熱量的存儲與釋放[1],為提高能源利用率提供了新途徑。

1 相變材料的分類

相變材料的分類有三種,第一種按相變形式劃分,分為固-固、固-液、固-氣、液-氣相變材料。固-氣、液-氣相變材料由于相變前后體積變化較大,需要特定的容器進行封裝,同時易發生氣體泄漏等現象,因此實際應用較少。而固-固、固-液相變材料在相變過程中體積變化較小,因此成為了研究的熱點。第二種按相變溫度進行分類,可分為低溫相變材料(＜20 ℃)；中溫相變材料(20～250 ℃)；高溫相變材料(＞250 ℃)。第三種按照材料的化學組成可分為無機相變材料、有機相變材料、復合相變材料三大類。

1.1 無機相變材料

無機相變材料主要包括結晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金等。由于結晶水合鹽類相變材料的高相變潛熱、高導熱系數、儲能密度大、化學性能穩定、成本低廉等優點[2],因此在工業廢熱余熱回收、保溫節能建筑等領域得到了廣泛的應用。但存在過冷、相分離、相變循環穩定性差等缺陷。目前對水合鹽類相變材料的研究主要集中在降低過冷度、解決相分離、相變循環穩定性、改變相變溫度等方面。

喬英均等[3]以羧甲基纖維素(CMC)為增稠劑,Na2CO3·10H2O 為成核劑,制備了Na2S2O3·5H2OCH3COONa·3 H2O 相變材料,其過冷度減小到4.9 ℃,經歷50次熔化-凝固循環后,其穩定性良好。徐玲玲等[4]以20%Na2HPO4·12H2O+80%Na2SO4·10H2O 制備了低共熔相變材料,相變溫度為28～29 ℃,基本上消除了過冷和分層現象。

1.2 有機相變材料

有機相變材料可分為石蠟類和非石蠟類。非石蠟類有機相變材料主要包括脂肪酸、多元醇、酯和某些聚合物等。石蠟類有機相變材料的優點:相變潛熱高、無過冷和相分離現象、化學性能穩定、無腐蝕性等,但存在導熱系數低、相變前后體積變化明顯等缺陷。為了改善石蠟類相變材料的導熱性能。可采用翅片結構、組合和復合相變材料、微膠囊封裝等方法。海彬等[5]以石蠟為芯材,殼聚糖和阿拉伯膠為壁材,發現當p H=4.5時,芯殼比為1.5∶1,交聯劑劑量為2 m L,制備的相變儲能膠囊的包覆率和包覆效率最佳,分別為52.84%和56.27%。徐永峰等[6]通過將低熔點、高導熱系數的金屬鈉和石蠟復合制備了新型復合相變材料,實驗發現5%Na+95%Paraffin相變儲能材料的導熱系數較純石蠟增加17.6倍,儲熱和放熱速率對比純石蠟增大了一倍。200次相變循環,3%Na+97%Paraffin復合相變材料的相變潛熱和相變溫度的變化幅度僅為3.7%和1.5%,熱學穩定性良好。

1.3 復合相變材料

復合相變材料可以克服單一無機和有機相變材料的缺陷,因此在建筑節能、太陽能、農業、航天、物流運輸等領域有著廣泛的應用前景。復合相變材料的主要制備方法有溶膠凝膠法、熔融浸漬法、多孔基吸附法、界面聚合法、原位聚合法、高分子聚合法等。程璐璐等[7]以氨基樹脂為壁材,相變蠟、十二醇和正十八烷作為相變芯材,通過原位聚合法制備了微膠囊相變材料,結果表明:乳化劑用量為8%,十二醇-氨基樹脂微膠囊的相變潛熱為61.3 J/g,相變溫度為23.09 ℃,在200 ℃高溫時,微膠囊熱穩定性仍然較好。王迎輝等[8]以肉豆蔻酸(MA)和正辛酸(OA)為基液,采用多孔材料膨脹石墨(EG),制備了一種可以應用于醫藥冷藏運輸系統的復合相變材料,相變溫度僅為6.8 ℃,相變潛熱高達136.3 J/g,100次蓄放冷循環后,MA-OA/EG復合相變材料的相變潛熱、相變溫度變化幅度均較小。

2 相變材料的應用

2.1 在建筑節能領域的應用

受能源危機、節能環保的影響,相變儲能材料在建筑節能領域受到了研究學者們的廣泛關注。相變儲能材料在建筑節能領域被廣泛應用于墻體、混凝土和儲能地板等。聶志遠等[9]以月桂酸為相變材料,膨脹石墨為相變載體,制備了月桂酸/膨脹石墨復合相變材料。將復合相變材料摻入到混凝土中制備得到相變混凝土。研究發現:在保證混凝土力學性能的前提下,月桂酸/膨脹石墨復合相變材料的摻加顯著提高了混凝土的導熱性能。馮國會等[10]以葵酸為相變材料、太陽能熱水為熱源,設計了一整套相變儲能地板熱水采暖系統。在系統正常運作時,室內溫度基本上都會高于相變儲能地板熱水采暖系統室內溫度設計值15 ℃,蓄放熱性能良好,能夠滿足非連續能源采暖的需求。

2.2 在太陽能領域的應用

太陽能是一種無污染、節能環保的可再生能源,但容易受到晝夜、季節、地理條件等的限制,從而制約了太陽能的進一步利用。利用相變材料蓄熱儲能的特性,可以很好的克服太陽能不穩定和間歇性的缺陷。相變材料在太陽能發電、太陽能采暖系統、太陽能熱水系統等有著廣泛地應用。雷永康等[11]以石蠟為相變蓄熱材料、制備了一種用于散熱器供暖系統的石蠟-膨脹石墨復合相變材料,發現3.0%質量分數的膨脹石墨使得復合相變材料蓄放熱時間縮短了一半。闞榮強等[12]設計了一套適用于高原地區的蓄熱采暖系統,以相變蓄熱板為蓄熱載體,測試發現相變房間的夜間溫度較普通房間高出2～3 ℃。

2.3 在農業領域的應用

相變材料在農業上最典型的應用就是溫室。楊小龍等[13]以十二水磷酸氫二鈉為相變材料,制備了一種用于溫室的相變墻板。研究發現:相變墻板在晴天時的最高溫度較對照組低2.7 ℃、最低氣溫高1.5 ℃,平均溫度高1.2 ℃。陳超等[14]以石墨、石蠟、高密度聚乙烯為基材,將制備的復合相變蓄熱材料應用于溫室大棚北墻內表面,相較普通溫室大棚,相變溫室大棚白天的空氣溫度低2 ℃左右,夜間相變溫室大棚的空氣溫度高出約6 ℃,實現了太陽能時間轉移,夜間利用的目的。

3 結 論

當前相變儲能材料在建筑節能、太陽能、農業、航天、物流運輸、移動通信等領域都有著廣闊的應用前景,但是絕大多數研究都集中在實驗室和數值模擬,距離大規模的工業化還有很長的一段路要走。目前相變材料存在的主要問題有耐久性、經濟性、功能性等。耐久性的問題表現為多次循環后相變材料熱物性能的退化；經濟性的問題是相變材料的生產成本過高；功能性的問題是相變材料功能單一。而復合相變材料融合了無機和有機相變材料的優點,因此復合相變材料是未來研究的重點方向。未來相變材料的研究可以從以下幾點展開。

a.深入探究相變材料熱物性能退化的機理,開發出高相變潛熱、高導熱系數、相變溫度合適、熱物性能穩定的復合相變材料。

b.進一步尋找低碳環保、原料易得、儲量豐富、價格低廉的相變材料,簡化制備工藝和生產流程。進一步降低復合相變材料的生產成本,拓寬復合相變材料的應用領域。

c.拓寬復合相變材料的功能,如在建筑領域可進一步開發防水、保溫、調濕等多功能復合相變材料,實現結構-功能一體化。在物流運輸領域可發展多溫協同配送技術,實現不同溫度產品的同時配送。