CA-LA/膨脹性玻化微珠PCM的制備及性能研究

宋 雙

(吉林建筑科技學院，吉林 長春 130000)

0 前 言

相變材料是一種可以充分利用自然界熱源的變化主動實現儲存、釋放能量，自動調節室內溫度，從而達到節能目的的新型節能材料[1]。國內外采用的封裝技術一般為微膠囊技術和納米復合技術，把相變材料封裝成能量微球，從而制備出復合定形相變材料[2-3]，但其昂貴的封裝成本，很難實現規模化生產[4]。本文采用吸附封裝方法將相變材料吸附到多孔材料膨脹性玻化微珠中，制備成顆粒型相變材料。制得的顆粒型相變材料有效地解決了相變材料與建筑材料的相容性問題，同時還可以提高整個系統的傳熱性能。本實驗采用癸酸和月桂酸作為研究PCM的原相變材料[5]，采用膨脹性玻化微珠作為吸附載體進行了復合相變材料的制備并對其性能進行了研究。

1 實驗過程

1.1 實驗材料與儀器

材料：癸酸(CA)；月桂酸(LA)；膨脹性玻化微珠：吸水率：60%～70%，粒度：0.5～3.5 mm，容重：80～120 kg/m2。

儀器：真空泵、電熱套、水浴鍋、燒瓶、滴液漏斗、熱分析儀(DSC)、掃描電鏡等。

1.2 實驗步驟

相變材料的制備：首先稱取一定量的癸酸和月桂酸，然后將癸酸在恒溫水浴鍋下熔融，并逐漸將月桂酸加入到癸酸中，持續攪拌直到二者完全熔融并混合均勻，常溫下冷卻，最后制備得到相變材料。

無機-有機定形復合相變材料制備：首先將三口燒瓶放入電熱套中，以70℃恒溫加熱，并稱取一定量的膨脹性玻化微珠，放入三口燒瓶中；然后稱取一定量溶解后的相變材料(70℃)，放入滴液漏斗中；最后開啟真空泵、攪拌器(設置合適的攪拌速度)，緩慢滴加熔融的相變材料，制備得到復合相變材料。

2 實驗結果與討論

2.1 二元相變材料及復合相變材料的DSC熱分析及結果討論

圖1為二元相變材料的DSG曲線，圖2為復合相變材料的DSG曲線。

圖1 二元相變材料的DSC曲線

圖2 復合相變材料的DSC曲線

應用在建筑物室內的復合相變材料，應具有較高的相變潛熱及合理的相變溫度點，根據使用區域的不同：應用于南方室內的合理溫度是25℃～28℃；應用在北方室內的合理溫度是18℃～26℃。本實驗研究的相變材料是根據北方室內的溫度特點而進行研究和討論的。在癸酸摻量為70%時，相變溫度最合理為23.93℃，相變潛熱最高為143.48 J/g，吸熱峰面積為659.57 mJ。

實驗過程中發現隨著相變材料吸附量的不斷增加，膨脹性玻化微珠吸附難易程度上升。吸附的相變材料越多，膨脹性玻化微珠吸附越困難，并且抽真空的時間也隨之增加，當吸附50 g相變材料時，復合相變材料表面出現滲漏現象，三口燒瓶內壁上呈濕潤狀態，說明相變材料已經吸附到上限而出現泄露。說明當吸附相變材料過多時，在實際應用時會出現液體泄漏現象，反而會對環境產生不利的影響。

從表1可以看出，隨著相變材料吸附量的不斷增加，復合相變材料的相變溫度基本趨于穩定，和相變材料的相變溫度變化相一致，相變潛熱也隨著吸附量的增加而提高。因此得出結論：在保證復合相變材料整體穩定的前提下，應該盡可能多地吸附相變材料，能夠得到相變潛熱很高的復合相變材料，從而提高節能率。

表1 復合相變材料實驗結果

通過計算相變材料的吸附率分別為49%、53%、57%、60%、63.5%、66%。當相變材料含量為66%時復合相變材料在溫度高于相變材料熔點時發生明顯的液體泄漏現象，這是因為膨脹性玻化微珠作為吸附載體其吸附能力是有限的，存在一個臨界值，如果超出這個臨界值，膨脹性玻化微珠則不能完全吸附相變材料。根據實驗及DSC測試觀察，當吸附率達到63.5%時，相變溫度為21.73℃，相變潛熱為120.04 J/g，吸熱峰面積為493.02 mJ。此時的相變溫度適宜北方室內的居住環境，并且有較高的相變潛熱，滿足實際要求。

2.2 復合相變材料的微觀表征

圖3是SEM分別放大膨脹性玻化微珠100倍和300倍的圖像，圖4是SEM分別放大復合相變材料(吸附率為63.5%)的200倍和500倍的圖像。可以看出吸附前和吸附后二者的形貌有很大變化。

(a)放大100倍

(b)放大300倍

(a)放大200倍

(b)放大500倍

由圖3可以分析出，膨脹性玻化微珠具有較高的孔隙率，孔結構分布比較均勻，孔徑尺寸為30～40 μm，孔隙相互貫通，基本上為與外界聯通的開口孔隙，為吸附相變材料提供了必要條件。從圖4可以分析出，結合宏觀相變過程，吸附相變材料45 g時，宏觀沒有明顯的液相產生，這可能是因為膨脹性玻化微珠獨特的孔結構所造成的。因為孔徑尺寸為5～10 μm時，相變材料在發生相轉變過程中由固相變為液相時，由于毛細孔張力的作用，宏觀上無液相的生成。雖然本文中所采用的多孔吸附體膨脹性玻化微珠，孔徑尺寸較大，連通孔數量較多，但由于吸附材料與相變材料之間的質量比較為合理，在吸附率在63.5%范圍內，相變材料能被吸附到膨脹性玻化微珠孔洞的內壁上。通過SEM圖像可以很明顯地看出膨脹性玻化微珠的內壁吸附上一層相變材料，表明在抽真空條件下膨脹性玻化微珠對相變材料有很好的吸附性。由于內表面的浸潤作用，液化的相變材料不會從孔洞當中溢出，所以宏觀上還是一種固-固復合相變材料，因此膨脹性玻化微珠可以作為一種吸附載體。

3 結 論

本實驗采用物理混合方法制備二元體系相變材料，依據熱力學基礎二相低共熔點理論和動力學理論，按照一定比例熔融制備二元體系相變材料。通過真空吸附方法制備復合相變材料并制備出較為合理的比例的復合材料。

1)當癸酸：月桂酸=7:3時，相變潛熱最高，達到143.48 J/g，相變溫度為23.93℃，吸熱峰面積為659.57 mJ。

2)復合相變儲能材料中相變材料與載體的最佳適宜比例為1.8∶1，此時相變溫度為21.73℃，相變潛熱為120.04 J/g，吸熱峰面積為493.02 mJ。

3)通過相變材料在膨脹性玻化微珠多孔基體里SEM的測試分析，表明相變蓄能材料在多孔基體材料中的蓄熱能力得到提高，發生相變時其熱性能穩定，相變材料與多孔基體材料能很好的結合。并且，膨脹性玻化微珠的滲入改善了相變材料的傳熱性能。測試結果表明，該多孔基體復合相變材料具有較高的蓄熱能力和較好的熱穩定性。

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