基于建筑節能的復合相變高分子蓄熱材料制備研究

張妹榮

(河北工業職業技術學院宣鋼分院，河北 張家口075100)

隨著我國城鎮化建設的不斷發展，建筑能源需求越來越大，如何提高能源利用效率已經成為建筑企業十分重要的研究課題之一。復合相變高分子蓄熱材料屬于一種化學蓄熱技術，具有無污染、蓄熱密度高等特點，針對化學蓄熱材料進行重點研究，有助于建筑節能材料的改良與優化，提高建筑物的節能性能[1-4]。

1 十八烷/膨潤土復合相變材料制備

1.1 實驗材料

C15H38（鄭州阿爾法化工有限公司），分析純（廊坊鵬彩精細化工有限公司），十八烷（上海麥克林生化科技有限公司），有機改性膨潤土（建平佳鑫礦業有限公司）。

1.2 實驗儀器

電熱鼓風干燥箱（南京沃環科技實業有限公司），數顯恒溫水浴鍋（上海赫田科學儀器有限公司），精密電子天平（青島聚創環保集團有限公司）。

1.3 制備方法

通過熔融插層法對十八烷/膨潤土復合相變材料進行制備；首先在燒杯中加入一定量的十八烷，用酒精燈加熱，待十八烷處于熔融狀態下后再于燒杯中加入一定量的有機改性膨潤土，在添加的過程中用玻璃棒不斷攪拌，最終獲取十八烷/膨潤土復合相變材料[5-8]，詳細實驗參數見表1。

表 1 十八烷/膨潤土復合相變材料制備參數Table 1 Preparation Parameters of octadecane / bentonite composite phase change materials

1.4 分析方法

通過DSC測試來分析十八烷的相變潛熱與相變溫度，所使用的儀器為差示掃描量熱儀（上海愷時浦檢測技術有限公司）；通過紅外光譜儀（上海如海光電科技有限公司）對該材料進行冷熱循環穩定性分析。

2 實驗結果與分析

2.1 DSC測試分析

純十八烷與各種不同比例下十八烷/膨潤土復合相變材料的DSC測試結果如圖1所示。

圖 1 不同比例下十八烷/膨潤土復合相變材料的DSC測試結果Fig. 1 DSC test results of octadecane/bentonite composite phase change materials with different ratios

根據圖1可知，十八烷相變潛熱為208.5J/g，相變溫度為21.17℃，20%十八烷/膨潤土相變焓為31.46 J/g，25%十八烷/膨潤土相變焓為49.56 J/g，30%十八烷/膨潤土相變焓為52.15 J/g，35%十八烷/膨潤土相變焓為67.22 J/g，40%十八烷/膨潤土相變焓為79.56 J/g。對于復合有機相變材料來說，十八烷的含量越高，其相變焓值也就越大，即在系統損耗相同的情況下，潛熱值會隨著十八烷所占比例的增加而增加，相變焓值大致與復合相變材料中十八烷的質量分數相對應[9-10]。對于十八烷/膨潤土復合相變材料來說，其相變溫度會隨著十八烷所占比例的提升而向高處偏移。在十八烷/膨潤土復合相變材料中，材料自身所帶有的孔隙會對十八烷產生較強的約束作用，在復合材料體積出現變化的情況下會產生一定的附加應力，十八烷會受到高于大氣壓的壓力，根據克拉傅龍公式的基本原理，相變溫度會隨著壓力的增加而增加[11]。十八烷含量較高的十八烷/膨潤土復合相變材料體積相對較大，被約束在孔隙中的十八烷無法自由變形，因此受到的壓力也相對較大，相變溫度提升幅度也相對較高[12-13]。

2.2 冷熱循環穩定性試驗

本次研究將所制備的35%十八烷/膨潤土復合相變材料實施500次冷熱循環處理，再對復合材料進行DSC與XRD分析。該復合材料在經過500次冷熱循環處理后的XRD測試結果如圖2所示。經實驗研究發現，該試樣XRD圖譜中對應于膨潤土的001晶面間距值為3.9514nm，本次研究還測得35%十八烷/膨潤土復合相變材料在進行冷熱循環處理之前的該指標為3.9678nm，001晶面的間距值未出現明顯變化。說明在冷熱循環過程中，復合材料中的十八烷幾乎不會從膨潤土納米層中脫離，代表該復合材料具有較為可靠的穩定性。

圖 2 冷熱循環處理后35%十八烷/膨潤土復合相變材料的XRD測試結果Fig. 2 XRD test results of 35% octadecane / bentonite composite phase change material after thermal cycling treatment

35%十八烷/膨潤土復合相變材料在經過500次冷熱循環處理后的DSC測試結果如圖3所示。經實驗研究發現，該材料在冷熱循環處理前后，其相變溫度存在一定的變化，相變潛熱也有所降低。出現該現象的原因主要在于有機復合相變材料界面相互作用強并且比表面積效應顯著，同時也存在納米尺寸效應。因此，膨潤土的納米層間的有機相變材料幾乎不會在蓄放熱過程中解嵌出來，說明35%十八烷/膨潤土復合相變材料在可燃性和液相泄漏問題方面得到了良好的改善，是一種性能優良的有機相變蓄熱材料。

圖 3 冷熱循環處理后35%十八烷/膨潤土復合相變材料的DSC測試結果Fig. 3 DSC test results of 35% octadecane / bentonite composite phase change material after thermal cycling treatment

3 結論

根據DSC測試結果發現，當十八烷含量為35%時，十八烷/膨潤土復合相變材料處于飽和吸附狀態且相變焓達到67.22 J/g，符合節能建筑在蓄勢性能方面的需求。在對該材料進行500次冷熱循環處理后后，其相變潛熱雖然有所減損，但有機相變材料也很難從膨潤土的納米層間解嵌出來，可以避免蓄熱材料出現液相泄漏的問題，進而延長蓄熱材料的使用壽命。