相变陶瓷板调温性能的研究

    黎涛　于亮　范玉容　王毅

    

    

    

    摘 要：本文以石蜡为芯材，水性环氧树脂为壁材，通过化学聚合法制备含有相变材料的胶囊。将制成的相变胶囊填入空心陶瓷板内的夹层。分别测试掺入相变胶囊的的陶瓷板和未掺相变胶囊的陶瓷板在升温和降温过程中的温度变化情况。实验表明，在陶瓷板中掺入相变胶囊可以起到调节温度的作用。在相变胶囊吸热过程中，调温效果最大可达3.7 ℃；放热过程中，调温效果最大可达3 ℃。在建筑材料中加入相变材料可以起到减少制冷或采暖设备的运行时间的作用，达到节约能耗的目的。

    关键词：建筑节能；相变材料；石蜡；水性环氧树脂；相变胶囊；陶瓷

    1 前言

    随着国民经济的发展，人们对房间的舒适度要求提高，建筑能耗占社会总能耗的比例不断攀升，建筑节能技术得到了广泛的关注和重视。相变材料在温差驱动的前提条件下发生物相变化，相变过程中从外界吸收热量或放出热量，以此获得或释放潜热，过程中不需要消耗外界动力能耗。相变规律可应用于建筑材料中，通过相变的参与调解夏天高温时期温度，减小空调能耗，是建筑节能的一项重要措施[1，2]。

    石蜡是公认比较合适的相变材料。石蜡是很多碳氢化合物的混合体，作为一种相变材料具有相变潜热高、过冷度低、熔化时蒸汽压力低、化学稳定性较好、自成核、没有相分离、无腐蚀性、成本较低等优点[3]。石蜡的相变温度与分子量分布有关，可通过调整工艺生产条件来实现。石蜡直接与建材掺混会渗漏、溢出从而造成建筑结构破坏和有效成份降解、变质。采用胶囊化技术将石蜡封闭于胶囊之中，可以有效解决上述问题[4-9]，其中，比较多的是酚醛树脂、脲醛树脂为胶囊壁材。本文开发一种新型环保型的环氧树脂相变胶囊，将相变胶囊与陶瓷板结合，制备了具有相变储能功能的相变陶瓷板，并测试了相变陶瓷板调温性能，研究了相变材料在陶瓷中的应用。

    2 实验材料和方法

    2.1 相变胶囊的制备方法

    本文采用石蜡作为相变材料，采用化学聚合法，通过固化剂，使水性环氧树脂在石蜡表面聚合、固化，最终形成高分子胶膜，与内部石蜡构成壳-核结构。具体做法是：将不同成份的石蜡与添加剂混合，配制为相变温度为25～30 ℃的相变材料；再将相变材料凝固成固态颗粒；然后将固态的相变材料颗粒与一定量的水性环氧树脂搅拌，使环氧树脂充分润湿石蜡颗粒表面；再加入一定量的交联剂固化剂并搅拌，静置一定时间，使环氧树脂聚合并固化，制备成相变胶囊。

    2.2 相变陶瓷板的制备方法

    将规格为400 mm×400 mm×3 mm的陶瓷板背面镶嵌瓷条框架，将相变胶囊填装于框架内，相变胶囊重量为陶瓷板的15%，然后扣上石膏板底盖，用镁氧水泥粘合，制成相变陶瓷板。以若干块相变陶瓷板拼接成一间4.096 m3的测试屋，以H1表示，为本研究提供测试实体。同时还制备一个同样规格的但无相变胶囊的对比测试屋，以H0表示。

    2.3 相变材料的DSC测试

    相变材料的相变温度和相变潜热采用德国NETZSCH公司DSC 204F1差示扫描量热仪进行测试，试样质量为9.31 mg，以5.0 ℃·min-1升温速率，从-30 ℃升至55 ℃，测试过程在氮气气氛下进行。

    2.4 温度调节效果测试

    采用英国PICO公司生产的TC-08热电偶数据记录仪采集并记录，以T型热电偶作为温度传感器，每分钟测量一次，记录H1、H0内部的温度变化情况。首先，将环境温度调至低于相变温度20 ℃，保持3 h，使相变材料处于固体状态；然后逐步升温，使环境温度达到35 ℃，在此过程观察H1、H0内部温度变化过程。

    3 结果分析与讨论

    3.1 相变材料的DSC分析

    石蜡类物质是最为普遍的相变材料，由直链烷烃混合而成，可用通式CnH2n+2表示。石蜡类物质具有相变点可调、相变潜热高、性能稳定、无毒无腐蚀、价格便宜、无过冷或析出现象等特点，适合作为相变材料。表1列出了其中部分石蜡类物质的熔点，相变焓，导热系数和密度[10]。通过改变各组分的质量分数，可以调节相变材料的相变温度和相变潜热。图1为相变材料的DSC曲线。

    由图1可以得到，本研究配制的相变材料，相变的起始温度为25.4 ℃，相变的中止温度为30.8 ℃，相变的峰值出现在29.1 ℃，相变材料的转变热焓为178 J/g。

    3.2 相变材料对温度调节的作用

    3.2.1相变材料吸热过程的调温度作用

    随着温度升高至相变材料的相变温度，相变材料由固态转化为液态，在相变过程中吸收大量能量。本文通过测量样品在升温过程中温度的变化情况，考察相变材料吸热过程中的调温作用。相变陶瓷板和普通陶瓷板在升温过程中的温度变化情况如图2所示，其中A、B、C、D分别表示初始时刻、相变开始时刻，相变结束时刻和测量结束时刻相变陶瓷板H1的温度，B`、C`、D`分别表示与B、C、D同一时刻普通陶瓷板H0的温度。相变陶瓷板与普通陶瓷板的温度变化曲线呈现出明显差别。两个样品的初始状态如图2中A点所示，横坐标为时间，纵坐标为温度，两个样品的初始状态温度都为20.0 ℃。由初始状态A点开始，相变陶瓷板H1的温度沿AB段变化，H0的温度沿AB`段变化。经过25 min后，H1的状态到达了B点，此时的温度为27.3 ℃。B`点表示与B点同一时刻，普通陶瓷板H0的状态，B`点温度为28.0 ℃。在达到B点后，相变材料进入相变过程，相变开始温度为27.3 ℃，相变石膏板温度沿BC段变化，在第76 min到达C点，相变过程结束，相变结束温度为29.3 ℃。同时，普通陶瓷板H0的温度沿B`C`段变化，在第76 min到达C`点，温度为33.0 ℃。相变材料结束相变后，相变陶瓷板H1的温度沿CD段变化，在第165 min测量结束时，温度为30.0 ℃。对比的普通陶瓷板H0在测量结束时，温度为33.2 ℃。

    比较相变陶瓷板H1与普通陶瓷板H0温度变化曲线，在AB段和AB`段，虽然此时，相变材料未发生相变，但是由于相变材料导热系数较低，热量由板外壁传导至内部较慢，H1升温速率小于H0，经过相同的时间，H1温度低于H0。BC段和B`C`段，两个样品的温度变化趋势明显不同。相变材料在B点开始发生相变，至C点相变结束，持续了约51 min，此过程中相变材料由固态转变为液态，相变材料需要吸收大量的潜热，H1温度由27.3 ℃升至29.3 ℃，温度上升仅为2 ℃。与此同时，H0由28.0 ℃升温至33.0 ℃，温度上升5 ℃。两个样品最大的温差出现在相变结束的时刻，即C点和C`点，温差达到了3.7 ℃。以上数据表明，相变材料的加入可以有效的调节室内温度，在本文的实验条件下，这种调温效果在相变材料吸热过程中最大可以达到3.7 ℃。相变陶瓷板的温度低于环境温度，根据传热学原理，能量通过对流、传导和辐射的方式在实验样品与环境间传递，由于相变陶瓷板中相变材料已全部转化为液态，相变过程结束，样品吸收的环境中的能量全部贡献给样品温度的上升，直至样品与环境热量交换达到平衡。

    3.2.2相变材料放热过程的调温度作用

    相变材料在放热过程同样表现出对温度的调节作用。如图3所示，其中E、F、G、H分别表示初始时刻、相变开始时刻，相变结束时刻和测量结束时刻相变陶瓷板H1的温度，F`、G`、H`分别表示与F、G、H同一时刻普通陶瓷板H0的温度。H1在降温17分钟后到达F点，温度为25.7 ℃，同一时刻，H0温度为24.4 ℃。在相变开始前，H1温度变化的幅度小于H0，原因是相变胶囊导热系数低于陶瓷，加入了相变胶囊的陶瓷板传热能力相对较弱。FG段曲线体现出了相变陶瓷板在相变材料发生相变时H1温度变化情况，由于发生相变，相变材料放出潜热，相变陶瓷板在此期间温度降低仅为2.3 ℃，与同一时间范围内普通陶瓷板温度变化相比具有显著的差别，普通陶瓷板温度H0沿F`G`段曲线变化，由24.4 ℃降低到20.4 ℃，温度下降幅度为4 ℃。相变陶瓷板与普通陶瓷板最大温差出现在相变材料相变结束时，此时温差为3 ℃，这表明在本文的实验条件下，相变材料的调温效果在材料放热过程中最大可以达到3 ℃。

    4 结论

    本文通过化学聚合法，采用水性环氧树脂为壁材，包覆石蜡类相变材料，制备壳-核结构胶囊。在脱硫石膏板中掺入质量分数为15%的相变材料胶囊，制成相变陶瓷板。相变材料在相变过程中吸收和放出热量，从而可以起到调节室内温度的作用。在本实验条件下，相变材料在吸热过程中，调温效果最大可达3.7 ℃；放热过程中，最大调温效果可达3 ℃。在实际应用中，可以通过选择合适的相变材料，改变相变材料的质量和相变温度，使室内温度在一定时间内维持在人体感觉舒适的温度范围，从而减少制冷设备的能耗，达到节能的效果。

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