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54 材料工程/2010年6期 定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究 — PreparationandThermalPerformanceofShapestabilized EnergyStoragePhaseChangeBuildingMaterials 马烽,王晓燕,李 飞,陈明辉 (山东轻工业学院化学工程学院,济南250353) — — MAFeng,WANGXiaoyan,LIFei,CHENMinghui (DepartmentofChemicalEngineering, ShandongInstituteofLightIndustry,Jinan250353,China) 摘要:采用真空浸渗的方法,将棕榈酸和1一六醇的低共熔物(PAHD)与膨胀珍珠岩(EP)结合,制备一种新型定形相变 — 材料(PA_HD/EP)。环境扫描电子微镜测试显示相变材料PAHD进入到珍珠岩的孔道结构中。棕榈酸和十六醇的 — 低共熔物在膨胀珍珠岩的最佳浸渗量为58.0(质量分数,下同),在此浸渗量下,即使是没有进行包覆,PAHD也不会 — ℃ 在发生相变时从EP中渗漏。差示扣描量热仪测试获得PAHD/EP的熔点为41.49,相变焓值为122.9J/g。通过在 PA-HD/EP中添加1O石墨,改善材料的导热性能。该复合相变材料可以很好地与普通建筑材料进行结合,进一步制 备成具有温度调节功能的建筑材料。 关键词:定形;储能;相变材料;膨胀珍珠岩 中图分类号:TU502 文献标识码:A 文章编号:1OO1-4381(2010)06005405 — — Abstract:Ashapestabilizedcompositephasechangebuildingmaterial(PAHD/EP)forlatentheat storagewaspreparedbyvactltlminfiltrationmethodusingtheeutecticmixtureofpalmitieacid(PA) andhexadecanol(HD)asphasechangematerial,expandedperlite(EP)asskeleton.Environmental scanningelectronmicroscopeshowedthatPA~HDhadentirelypenetratedintoporestructureofthe matrixmateria1.TheoptimumPA~HDabsorptionofEPwasfoundtobe58(massfraction,the — — samebelow)withoutmeltedPAHEleakagefromthePAHD/EPcomposite.Bydifferentialscanning calorimetrythermalanalysis,thephasechangetemperatureandthephasetransitionenthalpyofmelt- — — ingforPAHE/EPcompositewerefoundtobe41.49 ̄Cand122.9J/grespectively.Thethermalcon — — ductivityofthePAHD/EPcompositewasobviouslyincreasedbyadding10graphite.Thecompos itecanintegratewithnormalbuildingmaterialswell,SOthatthebuildingmaterialwhichhasthermal adjustmentfunctioncanbepreparedfurther. — Keywords:shapestabilized;energystorage;phasechangematerial;expandedperlite 相变储能是利用相变材料的相变潜热进行能量储 存的一项新型环保节能技术口]。相变材料是在其本身 发生相变的过程中,吸收环境的热(冷)量,并在需要时 向环境放出热(冷)量,从而达到控制周围环境温度和 节能的目的。通过向普通建筑材料中加人相变材料, 可以制成具有较高热容的轻质建筑材料,称之为相变 储能建筑材料。利用相变储能建筑材料构筑建筑结 构,可以降低室内温度波动,提高舒适度,使建筑供暖 或空调不用或者少用能量;可以减小所需空气处理设 备的容量,同时可使空调或供暖系统利用夜问廉价电 运行,降低空调或供暖系统的运行费用。 相变材料应用于建筑材料中有一些特殊的要求, 比如价格低廉且资源丰富无腐蚀性,无毒,无特殊气 味,潜热能高,过冷度低,使用寿命长等。其中有机类 的相变材料比较符合以上优点,但与无机物相比,存在 导热性较低,易燃等缺点]。近年来出现了一种定形 相变材料,将各类蓄热材料与合适的基体材料复合,在 相变前后均能维持原来的形状(固态),对容器要求很 低,明显降低了相变储热系统的成本,而且某些性能优 异的定形相变材料可以与传热介质直接接触,使换热 效率得到很大提高。 膨胀珍珠岩是由火山玻璃质熔岩经高温焙烧瞬时 膨胀而成的一种白色多孔颗粒状物质,因其具有珍珠 裂隙结构而得名。它具有容重轻、无毒、无味、不腐、耐 定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究 55 酸、耐碱、绝热、吸音等性能。膨胀珍珠岩原料丰富,价 格低廉,使用安全,施工方便,可广泛应用于石油、化 工、电力、冶金和建筑等领域,在屋面隔热保温、墙体复 合保温、热力管道保温层,以及冷库围护结构的隔热层 中都得以广泛的应用。本研究将膨胀珍珠岩作为定形 相变材料的骨架,将相变材料吸附到膨胀珍珠岩微孔 中,起到固定相变材料使其不致在发生相变时从基体 中渗漏出来,同时也可以起到阻燃的作用,制备出具有 较高储热密度的复合相变储能材料,并采用添加石墨 提高材料的导热性能。 1实验 1.1原料 棕榈酸(PauricAcid,PA),Cl6H32O2,AR;正十六 醇(Hexadecanol,HD),C16H34O,AR;膨胀珍珠岩 (ExpandedPerlite,EP),化学组成见表1。 膨胀珍珠岩的孔结构采用Poremaster60压汞仪 ℃ 进行测试,测试温度为25,汞的密度为13.5g/mL, — 执行标准为ASTMD428403。图1为膨胀珍珠岩的 孔径分布图,由图1可以看出孔径主要分布在100~ 2500nm,占总分布的76,剩余的孔径分布也多为 5O~100nm的孔。测得膨胀珍珠岩中值孑L径为 899.6nm,比表面积为8.56m。/g,孑L隙率为8O。 0.008 0.007 0006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.00l 0.000— 0O0l 图1膨胀珍珠岩的孔径分布图 Fig.1Poresizedistributionofexpandedperlite 1。2最低共熔物的制备 ’ 根据VantHoff方程计算低共熔物的组成嘲,按 低共熔物组成的质量比64.4:35.6称取一定质量的 棕榈酸与十六醇混合,在60 ̄C的水浴中加热直至完全 融化,然后均匀搅拌6~8h后冷却,即获得棕榈酸与十 — 六醇的低共熔物有机复合相变材料(PAHD)。 1.3定形相变材料的制备 — 采用真空浸渗的方法将PAHD的低共熔物与 颗粒型的膨胀珍珠岩进行复合。首先,将膨胀珍 ℃ 珠岩置人马弗炉中500烘烤1h,去除其表面的可 燃性杂质以及少量的水分。然后,称取一定质量的 珍珠岩颗粒与固态的相变材料一起放人真空容器 中。先用真空泵将其中的空气抽出,真空度为 — 0.09MPa,然后再加热使PAHD融化,并保持真空 — 2h浸泡,在珍珠岩中进行PAHD相变材料的物理浸 ℃ 渗过程,最后在60下干燥得到复合定形相变材料— (PAHD/EP)。 1.4测试与表征 用Quanta200环境扫描电子显微镜(ESEM)观 测样品的形貌;用TAQ10DSC差示扫描量热仪对 ℃ 样品进行热性能分析,升温速率为5/rain。 利用Agilent34970A仪器,采用已经矫正过的K — — 型热电偶测试样品PAHD/EP和PAHD/EP/G— (PAHD/EP中加入质量分数为10石墨)的融化和 凝固过程温度曲线。样品被放置于圆柱形间壁换热容 器中,加入量为2~3g。换热介质为自来水,加热温度 ℃ ℃ 为6O,冷却温度为20。 2结果与讨论 2.1工艺条件的选择 — 在真空浸渗的过程中,浸渗时问、浸渗温度对PA HD在珍珠岩中的浸渗量都有较大的影响。图2,3分 别是实验获得的这两个因素对浸渗量的影响关系图。 实验考察浸渗时间对浸渗量的影响实验条件是浸渗温 ℃ 度6O,烘热处理40rain;浸渗温度对浸渗量的影响实 验条件是浸渗时间20h,烘热处理40min。 — 由图2可以看出,随着浸渗时间的增加,PAHD 在珍珠岩中的浸渗量逐渐增大,但在9h后基本保持不 变,稳定在70.0左右。这是因为膨胀珍珠岩内部的 — 孔容量是有一定限制的,当孔隙全部被熔融的PAHD 占据后,多余的PAHD也就无法进入到膨胀珍珠岩 — 的内部。由图3可以看出,随着浸渗温度的增加,PA HD在膨胀珍珠岩中的浸渗量逐渐增大。但在温度达 ℃ 到65后增大的幅度减缓,直至变化很小。这是因为 温度的提高加速了分子的热运动,降低了其黏度,使得 十六醇/棕榈酸更容易进入膨胀珍珠岩的孔隙当中。 % 一o 量 质m 一 分.善一一 成Ⅲ 一一 学mlC “ 化 珠._一o~0 珍_至一 定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究 57 且有机物分子与其他分子问存在着相互作用,从而表 现出来的热力学性质与其在自由堆积时不同吲。并 且,由于膨胀珍珠岩的加入使材料的整体传热性能有 所降低,在传热的过程中表现为热的滞后性,也在一定 程度上对相变温度有影响。 b0● ≥ ≥ 0 Z — 图7PA-HD和PAHD/EP的DSC曲线 — — Fig.7DSCcurvesofPAHDandPAHD/EP 2.4传热性能分析 由于膨胀珍珠岩的隔热性能良好,在建筑中多 用于制作保温层和绝热防火材料。所以,应通过向 膨胀珍珠岩基定形相变材料中添加导热系数较高的 材料以提高其传热性能。本工作采用导热系数较高 — 的石墨为添加剂对定形相变材料PAHD/EP进行改 — 性,制备出添加了10石墨的复合相变材料PA HD/EP/G。 — — 图8和图9分别是PAHD/EP和PAHD/EP/G 在升温和降温过程中的温度随时间变化情况图。从图 8可以看出,二者的相变过程的起点都发生在42.6"C, — 与DSC测得的数据吻合。在熔化的过程中,PAHD/ EP/G到达相变起点的时间为55s,到达相变终点的时 — 问为270s,在435s时达到预设温度;PAHD/EP到达 相变起点的时间为85s,到达相变终点的时间为380s, 则在485s后才达到预设温度。添加10的石墨后达 到相变起点的时间提前了30s,到达预设温度的时间 — 提前了50s。从图9可以看出,在凝固的过程中,PA HD/EP/G到达相变起点的时间为80s,到达相变终点 — 的时间为275s,在487s时最先达到预设温度;PA HD/EP到达相变起点的时间为97s,到达相变终点的 时间为385s,则在585s后才达到预设温度。添加 10的石墨后达到相变起点的时间提前了17s,到达 相变终点的时间提前了110s,到达预设温度的时间提 — — 前了98s。由此可见,PAHD/EP/G比PAHD/EP — 的导热性能明显增强,添加1O的石墨提高了PA HD/EP的传热能力。 p\ 0 厶 g — 图8PAHD/EP和PAHD/EP/G的融化温度曲线 Fig.8Meltingtemperaturecurvesof—— —— PAHD/EPandPAHD/EP/G — 图9PAHD/EP和PAHD/EP/G的凝固温度曲线 Fig.9Solidificationtemperaturecurvesof—— —— PAHD/EPandPAHD/EP/G 3结论 (1)通过真空浸渗的方法将有机相变材料十六醇 和棕榈酸的低共融混合物填充到膨胀珍珠岩的孔道结 — 构中,制备出一种新型的定形复合相变材料PAHD/ EP。 — (2)相变材料在PAHD/EP中的质量分数可达 ℃ 58.0,复合相变材料的熔点为41.49,相变焓值为 122.9Jig。该材料具有良好的熔融特性,且不会与基 体发生化学反应。 — (3)在复合材料PAHD/EP中添加10%石墨制 — 备出的PAHD/EP/G导热性能显著增强。制备的定 形复合相变材料可以应用于建筑储能领域,用以调节 能源的合理利用。 参考文献 [11MOHAMMEDMF,AMARMK,SIDDIQUEAKR,eta1.A reviewonphasechangeenergystorage:materialsandapplications — EJ].EnergyConversionandManagement,2004,45(910):— 15971615. 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