珍珠巖復合相變儲能材料制備技術研究

王文娟，陳 峙

（信陽職業技術學院，河南 信陽 464000）

當前全球經濟的快速發展以及科學技術的不斷提升，各國對于能源、資源的需求都呈現出大幅度提高的趨勢。世界能源與資源的消耗量逐漸增加，能源節約已經成為制約著社會乃至國家經濟可持續發展的重要瓶頸問題。在這樣的大環境背景下，由于我國在相變儲能材料理論方面的研究起步相對其他國家較晚，并且在實際的建筑工程領域當中實現開發更是缺失[1]。目前，我國高能耗建筑在我國既有建筑中的占比超過九成，其中絕大部分是沒有考慮相變儲能材料的高耗能建筑。相變儲能材料（PCMs），是指能夠在一定溫度條件下，實現固體、液體和氣體三相之間狀態改變的材料。與此同時，在對周圍環境溫度進行調節的過程中，還可以減緩能源供需之間在時間和速度上的不同步，達到對室溫的控制，極大地降低了空調等調溫設備的能耗，從而達到降低環境污染和溫室效應的目的，尤其適合于建筑節能保溫領域[2]。基于相變儲能材料在建筑領域中的應用優勢，本文下述將開展對珍珠巖復合相變儲能材料制備技術的設計研究。

1 珍珠巖預處理與表面改性

珍珠巖是一種傳統的保溫材料，具備保溫、隔聲以及輕質等特點，但是珍珠巖本身的吸水率極高，所吸水的質量通常能夠達到其自身質量的3～4倍，在吸水后，其自身的保溫性能會急劇下降。針對這一問題，為提高珍珠巖的應用性能，將其與相變儲能材料相結合，制備全新的珍珠巖復合相變儲能材料[3]。在制備前，需要先對珍珠巖材料進行預處理以及表面改性。在預處理時，需要用到十二烷基苯磺酸鈉（SDBS） 作為表面活性劑，有機硅溶液和聚二甲基硅氧烷作為憎水劑。在預處理前，珍珠巖的外觀為白色顆粒。預處理操作流程為：選用60目（0.30 mm 規格） 和80 目（0.45 mm 規格） 的篩子，對珍珠巖進行過篩處理。將其按照粒徑分別為0.30mm 和0.45 mm 兩種規格進行分類。從完成篩選的珍珠巖顆粒中提取100 g，并將其放入到容積為 1000 mL 的燒杯當中。向燒杯內加入12 g SDBS，以及450 mL 的蒸餾水，持續攪拌15 h，再經過抽濾后，放置在50 ℃干燥環境中12 h。珍珠巖預處理裝置連接結構圖見圖1。

圖1 珍珠巖預處理裝置連接結構圖

在完成對珍珠巖的預處理后，將溶液浸漬法與水解沉積法相結合，對珍珠巖表面改性。稱取10 g經過預處理的珍珠巖粉末。將其放入到250 mL 容量燒杯中，再向燒杯內加入100 g 蒸餾水。在60 ℃溫度環境下，持續攪拌2 h。攪拌后，加入適量濃度的有機硅溶液和聚二甲基硅氧烷混合溶液，再持續攪拌8 h。攪拌完畢后，將燒杯密封，并在60 ℃溫度環境下使其充分反應2 h。最后經過抽濾，在60 ℃干燥環境中持續12 h 干燥[4]。在完成上述操作后，對處理后的珍珠巖吸水率進行測定。稱取烘干后的3 份樣品，將其質量控制為各5 g，向其中加入150 mL 的蒸餾水，在靜置5 h 后，稱取其質量，并結合下述公式計算得出吸水率。

式中：η 為處理后珍珠巖的吸水率；m2為靜置后稱取的珍珠巖質量；m1為靜置前烘干后的質量。除此之外，針對處理后的珍珠巖材料還需要對其動力學性能和熱力學性能進行測試。對材料的動力學性能測試基本操作為：在吸收塔內，用一張濾紙包著一塊脫脂棉，用一根細細的金屬線綁到吸收塔的底部，然后倒入20 mL 的水，加入適量的油（油使用石蠟，并用蘇丹紅IV 將其染成紅色）。將其置于環境溫度（16 ℃）下，測定其放置2 min、5 min、10 min、15 min、30 min、60 min 后的吸油率。在測定吸油速率時，應將吸收塔底部的閥開啟，讓水與油自然排出[5]。對材料的熱力學性能測試基本操作為：在所述吸收塔中，將脫脂棉用一張濾紙包好，并用一根細線綁到吸收塔的底部，然后，添加20 mL的水，添加適量的油（水面浮油量分別為0.2 g/mL、0.4 g/mL、0.6 g/mL、0.8 g/mL、1 g/mL，并用蘇丹紅IV 將所述油染成紅色）。在0 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃的環境下，測定放置15 min 后的吸油速率。在完成上述測試，并確保各項性能指標均符合規定要求后，才能夠將其應用到復合材料的制備流程中。

2 制備所需原材料與設備選擇

在完成對珍珠巖材料的預處理和表面改性后，對珍珠巖復合相變儲能材料制備所需的原材料和設備進行選擇。原材料包括正癸酸、珍珠巖等。選用化學純（99%） 白色晶體正癸酸，以及上述經過預處理后粒徑在0.30～0.45 mm 范圍內的珍珠巖。所需制備設備包括真空泵、恒溫水浴鍋、通氣閥、三口圓底燒瓶以及溫度計。所選用的真空泵為SHZ-D（III） 型號標準兩抽頭防腐型真空泵，電機功率為180 W；水箱容積為15 L；噪音為50 dB。所選用的恒溫水浴鍋為SYP-48100 型號，其溫度范圍為室溫～99.9 ℃；溫度均勻度為95%；加熱功率為1500 W；溫度分辨率為0.1 ℃。

3 基于浸漬法的材料制備

在確定制備所需原材料和設備后，結合浸漬法對珍珠巖復合相變儲能材料進行制備。以珍珠巖為基質，以石蠟基為儲能介質，制備一種新型的復合相變儲能材料。在此基礎上，將石蠟-珍珠巖的相變組分添加到爐渣中，并與常規的硅酸鹽水泥進行比較。與硅酸鹽水泥相比，復合相變儲能材料外部溫度的起伏變化和波動小且平穩。與普通硅酸鹽混凝土比較，具有較低的溫升、冷卻時間，且具有較好的節能性能，滿足了建筑保溫性能的需要。由于其在室溫、常壓條件下合成，而非真空吸附，致使膨脹珍珠巖中仍存在著大量的微孔隙，在其不能到達相變點之前，對其進行了絕熱和保溫。

以不同的配比為標準，對正癸酸和改性后的膨脹珍珠巖進行稱量，并將其放入250 mL 的三口圓底燒瓶中，對其氣密性進行檢測，開啟真空泵，將其抽真空30 s，將其打開，并將其設定為適合的溫度45 ℃，將其放入恒溫水浴鍋中15 min，之后再打開通氣閥，并進行2 min 的攪拌。再對氣密性進行檢測，開啟真空泵，將其抽真空30 s，打開恒溫水浴鍋。將其設定為適合的溫度45 ℃，將其放入恒溫水浴鍋中15 min。之后再打開氣閥，進行2 min 的攪拌，之后將其冷卻，就可以得到正癸酸/膨脹珍珠巖復合相變材料。該技術涉及一種新型的相變材料，它可以與灰泥、混凝土、石膏和瀝青等混合，制備出一種新型的相變儲能灰泥和相變混凝土。

4 實例應用分析

通過本文上述論述，提出了一種全新的珍珠巖復合相變儲能材料制備技術。實驗選擇珍珠巖材料為：60～80 目，天津市科銳思化工有限公司。正癸酸：分析純（99%） 白色晶體，熔點29.0～32.0 ℃，質量分數≥98.0%，天津市福晨化學試劑廠。有機硅溶液：分析純，淺黃色透明液體，密度為0.95 g/mL，pH 值為6～7，國藥化學試劑有限公司。500 號石蠟油：石蠟質量分數為65%，圣康化工有限公司。按照上述方法進行實驗。表1 為實驗過程中，改性方法對珍珠巖吸水率的影響。從中不難看出，隨著有機硅質量的增加，珍珠巖的吸水性隨之降低。當有機硅質量分數為1.13%時，改性后的珍珠巖呈粒狀。此過程中，水解沉積法處理的珍珠巖具有較好的厭水性。由此，本次實驗選擇溶液浸漬法與水解沉積法相結合，對珍珠巖表面進行改性的方法具有較好的可操作性。

表1 改性過程中珍珠巖吸水率的變化

制備過程中，水解溫度對珍珠巖吸水率的影響見圖2。結果表明，在22～40 ℃的水解溫度范圍內，珍珠巖的吸水率明顯降低；在40～60 ℃的水解溫度范圍內，吸水率降低的速率減緩；在60～80 ℃的水解溫度范圍內，吸水率基本不變，且趨于平穩。由此，60 ℃的水解溫度較為適宜。

圖2 水解溫度對珍珠巖吸水率的影響

為驗證該技術應用可行性，對應用新技術的材料質量進行測試。將制備后的材料作為研究對象，針對其質量損失比進行觀察，選用JSM-5600 型號電子掃描顯微鏡作為觀測設備，對制備材料的形貌進行觀測，再采用NICOLE 紅外光譜儀對材料進行紅外分析。通過一定質量的材料在不同溫度條件下，觀察其質量變化。共設置兩種溫度條件，分別為40 ℃和50 ℃，測試在10 min、20 min、30 min時間中質量的變化，將得到的數據記錄見表2。

表2 材料質量損失比記錄表

從表2 可以看出，在溫度為40 ℃和50 ℃的條件下，制備的材料隨著其質量比的增加，相應的質量損失逐漸增加，且質量損失的占比呈現出明顯的增加趨勢，損失速率逐漸增加。再進一步結合掃描電鏡得到的結果對制備的材料進行分析。制備的材料內部呈現出蜂窩狀多孔疏松結構，孔與孔之間都相互分隔，孔壁薄，且較為光滑。這種材料結構能夠為相變儲能材料融合提供更理想的空間條件。實驗過程中，在100 個循環的熱循環中，珍珠巖復合相變儲能材料仍處于熔化狀態，且不會發生大的滲漏，表現出良好的穩定性。這主要是因為它的孔隙結構可以讓相變儲能材料在它的表面張力和高毛細作用下，很難滲透到液體中，因此進一步提高了材料的穩定性。

5 結束語

珍珠巖復合相變儲能材料是建筑外墻保溫的主要材料，具有調節室內溫度、保溫等功效，通過對該材料的使用能夠減少建筑材料的消耗，增加建筑面積，并減少環境污染以及溫室氣體的排放。基于該材料的應用優勢，本文上述研究提出了一種新的制備技術，并通過對制備后的材料性能檢驗，間接證明了新制備技術的應用可行性。在研究過程中，由于對材料的制備是在實驗室中進行，與實際工程環境是否存在差異，實際工程環境中的因素是否會影響到制備效果，都需要進行進一步的驗證。