CA-LA/膨胀性玻化微珠PCM的制备及性能研究

宋 双

(吉林建筑科技学院，吉林 长春 130000)

0 前 言

相变材料是一种可以充分利用自然界热源的变化主动实现储存、释放能量，自动调节室内温度，从而达到节能目的的新型节能材料[1]。国内外采用的封装技术一般为微胶囊技术和纳米复合技术，把相变材料封装成能量微球，从而制备出复合定形相变材料[2-3]，但其昂贵的封装成本，很难实现规模化生产[4]。本文采用吸附封装方法将相变材料吸附到多孔材料膨胀性玻化微珠中，制备成颗粒型相变材料。制得的颗粒型相变材料有效地解决了相变材料与建筑材料的相容性问题，同时还可以提高整个系统的传热性能。本实验采用癸酸和月桂酸作为研究PCM的原相变材料[5]，采用膨胀性玻化微珠作为吸附载体进行了复合相变材料的制备并对其性能进行了研究。

1 实验过程

1.1 实验材料与仪器

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

仪器：真空泵、电热套、水浴锅、烧瓶、滴液漏斗、热分析仪(DSC)、扫描电镜等。

1.2 实验步骤

相变材料的制备：首先称取一定量的癸酸和月桂酸，然后将癸酸在恒温水浴锅下熔融，并逐渐将月桂酸加入到癸酸中，持续搅拌直到二者完全熔融并混合均匀，常温下冷却，最后制备得到相变材料。

无机-有机定形复合相变材料制备：首先将三口烧瓶放入电热套中，以70℃恒温加热，并称取一定量的膨胀性玻化微珠，放入三口烧瓶中；然后称取一定量溶解后的相变材料(70℃)，放入滴液漏斗中；最后开启真空泵、搅拌器(设置合适的搅拌速度)，缓慢滴加熔融的相变材料，制备得到复合相变材料。

2 实验结果与讨论

2.1 二元相变材料及复合相变材料的DSC热分析及结果讨论

图1为二元相变材料的DSG曲线，图2为复合相变材料的DSG曲线。

图1 二元相变材料的DSC曲线

图2 复合相变材料的DSC曲线

应用在建筑物室内的复合相变材料，应具有较高的相变潜热及合理的相变温度点，根据使用区域的不同：应用于南方室内的合理温度是25℃～28℃；应用在北方室内的合理温度是18℃～26℃。本实验研究的相变材料是根据北方室内的温度特点而进行研究和讨论的。在癸酸掺量为70%时，相变温度最合理为23.93℃，相变潜热最高为143.48 J/g，吸热峰面积为659.57 mJ。

实验过程中发现随着相变材料吸附量的不断增加，膨胀性玻化微珠吸附难易程度上升。吸附的相变材料越多，膨胀性玻化微珠吸附越困难，并且抽真空的时间也随之增加，当吸附50 g相变材料时，复合相变材料表面出现渗漏现象，三口烧瓶内壁上呈湿润状态，说明相变材料已经吸附到上限而出现泄露。说明当吸附相变材料过多时，在实际应用时会出现液体泄漏现象，反而会对环境产生不利的影响。

从表1可以看出，随着相变材料吸附量的不断增加，复合相变材料的相变温度基本趋于稳定，和相变材料的相变温度变化相一致，相变潜热也随着吸附量的增加而提高。因此得出结论：在保证复合相变材料整体稳定的前提下，应该尽可能多地吸附相变材料，能够得到相变潜热很高的复合相变材料，从而提高节能率。

表1 复合相变材料实验结果

通过计算相变材料的吸附率分别为49%、53%、57%、60%、63.5%、66%。当相变材料含量为66%时复合相变材料在温度高于相变材料熔点时发生明显的液体泄漏现象，这是因为膨胀性玻化微珠作为吸附载体其吸附能力是有限的，存在一个临界值，如果超出这个临界值，膨胀性玻化微珠则不能完全吸附相变材料。根据实验及DSC测试观察，当吸附率达到63.5%时，相变温度为21.73℃，相变潜热为120.04 J/g，吸热峰面积为493.02 mJ。此时的相变温度适宜北方室内的居住环境，并且有较高的相变潜热，满足实际要求。

2.2 复合相变材料的微观表征

图3是SEM分别放大膨胀性玻化微珠100倍和300倍的图像，图4是SEM分别放大复合相变材料(吸附率为63.5%)的200倍和500倍的图像。可以看出吸附前和吸附后二者的形貌有很大变化。

(a)放大100倍

(b)放大300倍

(a)放大200倍

(b)放大500倍

由图3可以分析出，膨胀性玻化微珠具有较高的孔隙率，孔结构分布比较均匀，孔径尺寸为30～40 μm，孔隙相互贯通，基本上为与外界联通的开口孔隙，为吸附相变材料提供了必要条件。从图4可以分析出，结合宏观相变过程，吸附相变材料45 g时，宏观没有明显的液相产生，这可能是因为膨胀性玻化微珠独特的孔结构所造成的。因为孔径尺寸为5～10 μm时，相变材料在发生相转变过程中由固相变为液相时，由于毛细孔张力的作用，宏观上无液相的生成。虽然本文中所采用的多孔吸附体膨胀性玻化微珠，孔径尺寸较大，连通孔数量较多，但由于吸附材料与相变材料之间的质量比较为合理，在吸附率在63.5%范围内，相变材料能被吸附到膨胀性玻化微珠孔洞的内壁上。通过SEM图像可以很明显地看出膨胀性玻化微珠的内壁吸附上一层相变材料，表明在抽真空条件下膨胀性玻化微珠对相变材料有很好的吸附性。由于内表面的浸润作用，液化的相变材料不会从孔洞当中溢出，所以宏观上还是一种固-固复合相变材料，因此膨胀性玻化微珠可以作为一种吸附载体。

3 结 论

本实验采用物理混合方法制备二元体系相变材料，依据热力学基础二相低共熔点理论和动力学理论，按照一定比例熔融制备二元体系相变材料。通过真空吸附方法制备复合相变材料并制备出较为合理的比例的复合材料。

1)当癸酸：月桂酸=7:3时，相变潜热最高，达到143.48 J/g，相变温度为23.93℃，吸热峰面积为659.57 mJ。

2)复合相变储能材料中相变材料与载体的最佳适宜比例为1.8∶1，此时相变温度为21.73℃，相变潜热为120.04 J/g，吸热峰面积为493.02 mJ。

3)通过相变材料在膨胀性玻化微珠多孔基体里SEM的测试分析，表明相变蓄能材料在多孔基体材料中的蓄热能力得到提高，发生相变时其热性能稳定，相变材料与多孔基体材料能很好的结合。并且，膨胀性玻化微珠的渗入改善了相变材料的传热性能。测试结果表明，该多孔基体复合相变材料具有较高的蓄热能力和较好的热稳定性。

[ID:013290]