建筑節能用復合相變蓄熱材料制備及其性能研究

田 強，王桂珍

（山東省聊城市建設工程質量服務中心，山東聊城252000）

就國內外相關研究，孫婉純等學者指出相變儲熱單元可減小室內溫度波動，提升室內環境熱舒適性，降低建筑能耗；陳超等學者提出了新型相變儲能墻板，發現普通房間的北墻內表面利用PCM可有效提升室內熱舒適性，可提升太陽輻射利用率，若選擇合適PCM，供暖季節節能率高達17%以上；王慧儒等學者基于變分原理，推算出了組合式相變最佳融化溫度表達式，探究了相變材料對于耗散熱阻與蓄熱性能的影響作用，為組合式相變材料選擇、流動、結構參數設計奠定了理論依據[1]。在此基礎上，本文針對以石墨改善熔融鹽導熱性能，基于熔融鹽與石墨制備了建筑節能用復合相變蓄熱材料。

1 建筑節能用復合相變蓄熱材料制備

1.1 材料制備

以電子天平稱取53.54g KNO3與45.63g NaNO3，放在干凈容器內，并把容器放置于自動攪拌器[2]，通過1680r/min速度混合攪拌，然后加熱至熔融狀態，再冷卻結晶，以獲取相變蓄熱材料NaNO3-KNO3。再稱取1g膨脹石墨，在攪拌方式下與相變蓄熱材料充分混合[3]，加熱至600℃，完全熔融，然后冷卻于室溫狀態，從而獲取復合相變蓄熱材料NaNO3-KNO3/1%EG。

1.2 測試方法

以掃描電子顯微鏡為性能測試設備。掃描電子顯微鏡測試基于不同倍率的相變蓄熱材料與復合相變蓄熱材料SEM圖像[6]，通過圖像可由微觀結構對膨脹石墨在復合相變蓄熱材料傳熱性能中的影響進行詳細分析。

2 建筑節能用復合相變蓄熱材料性能

以掃描電子顯微鏡放大相變蓄熱材料NaNO3-KNO3，以獲取不同SEM圖像[7]，具體如圖1所示。

圖1 復合相變蓄熱材料NaNO3-KNO3的SEM圖像Fig.1 SEM images of NaNO3-KNO3 composite phase change heat storage material

由圖1(a)可以看出，相變蓄熱材料NaNO3-KNO3放大到1×103倍之后，其中不同粒子則表現為塊狀與餅狀，彼此間幾何尺寸差異顯著，且局部粒子之間有所粘連[8]，而其他粒子之間則保持著間距。KNO3粒子形狀主要為塊狀和餅狀，相對分散；NaNO3粒子主要為大塊狀，彼此粘連。由圖1(b)～(e)可以發現，在放大倍數逐步增加的趨勢下，相變蓄熱材料NaNO3-KNO3 SEM圖像逐漸清晰，可以看到材料表面十分平滑整潔，且粘連了顆粒狀聚集體；由圖1(f)可以得知，材料結構比較松散，處于相對完整的平面，散布了網狀結構的絮狀物，即NaNO3，而KNO3明顯分層，使得太過分散的NaNO3晶體很容易分散為更加微小的晶體聚集體，但是KNO3晶體由于結構穩定，難以分散，所以NaNO3晶體粘附在KNO3晶體表層。

通過掃描電子顯微鏡放大復合相變蓄熱材料NaNO3-KNO3/1%EG，以獲取不同SEM圖像[9]，具體如圖2所示。

圖2 復合變相蓄熱材料NaNO3-KNO3/1%EG的SEM圖像Fig.2 SEM images of NaNO3-KNO3/1%EG composite phase heat storage material

由圖2(a)可以發現，復合相變蓄熱材料NaNO3-KNO3/1%EG與相變蓄熱材料NaNO3-KNO3的粒子形狀基本一致，但是圖2(a)中可以發現微小石墨顆粒；由圖2(a)～(d)可以看出，在放大倍數逐步增加形勢下，復合相變蓄熱材料NaNO3-KNO3/1%EG SEM的圖像逐漸清晰，且表面光滑平整，可隱隱看到石墨顆粒分布狀態，尤其是放大2×104倍的情況下，可清晰看到石墨顆粒均勻分布于復合相變蓄熱材料NaNO3-KNO3/1%EG表層；由圖2(e)可清晰看到，光滑粒子表層存在一些裂縫；由圖2(f)可以得知，NaNO3晶體存在網狀結構，而KNO3晶體存在明顯分層，受石墨顆粒影響，復合相變蓄熱材料NaNO3-KNO3/1%EG結構十分緊密，石墨顆粒和熔融鹽可充分混合。

基于前文進行分析，石墨可強化相變蓄熱材料NaNO3-KNO3導熱性能，但是由于膨脹石墨與相變蓄熱材料NaNO3-KNO3通過物理形式充分混合[10]，所以膨脹石墨對于材料NaNO3-KNO3相變溫度所造成的影響非常小。

3 結論

本文針對建筑節能用材料，制備了復合相變蓄熱材料NaNO3-KNO3/EG，并基于掃描電子顯微鏡測試了相變蓄熱材料NaNO3-KNO3與復合相變蓄熱材料NaNO3-KNO3/1%EG性能，并就SEM圖像分析了材料微觀結構。結果表明，基于石墨為添加劑，可顯著提升復合相變蓄熱材料傳熱效率；石墨可強化相變蓄熱材料NaNO3-KNO3導熱性能，但由于膨脹石墨與相變蓄熱材料以物理形式充分混合，所以膨脹石墨對于材料相變溫度所造成的影響非常小。