晏 華，張 劍，陳淑蓮，王雪梅

（1.解放軍后勤工程學(xué)院 化學(xué)與材料工程系，重慶401311；2.中國(guó)人民解放軍77160部隊(duì)65分隊(duì)，四川 犍為614400）

保溫砂漿是建筑節(jié)能領(lǐng)域重要的熱功能材料。近年來，隨著建筑節(jié)能相關(guān)法規(guī)的實(shí)施和人們節(jié)能意識(shí)的提高，將相變材料與普通建材復(fù)合成新型的保溫材料，解決建筑物能量供求在時(shí)間和強(qiáng)度上不匹配的矛盾，已經(jīng)成為建筑節(jié)能領(lǐng)域發(fā)展的新方向［1－9］。

能用于建筑節(jié)能的相變材料首先必須具備較高的相變潛熱和適宜的相變溫度，其次是必須與建筑材料有較好的相容性。在眾多的相變材料中，低熔點(diǎn)石蠟具有相變溫度范圍寬、儲(chǔ)能密度大、價(jià)格便宜、不過冷、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒無(wú)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)［10］，尤其是其具有較高的相變潛熱和接近人體舒適溫度的相變溫度，將其應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域既能提升墻體的保溫能力、節(jié)約能源，又能提高室內(nèi)熱舒適性，是理想的相變材料。目前，將相變石蠟應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域其他國(guó)家已有工程實(shí)例。德國(guó)的BASF公司將含石蠟微膠囊10%～25%的石蠟砂漿抹在墻上，2cm厚的該砂漿的蓄熱能力相當(dāng)于20cm厚的磚木結(jié)構(gòu)［11］。中國(guó)在這方面的研究也比較多，但僅僅局限在相變石蠟的微膠囊制備及其在工程應(yīng)用中保溫隔熱效果的模擬評(píng)估上，真正將其應(yīng)用于建筑砂漿的研究還比較少。

筆者所在課題組前期致力于高熔點(diǎn)石蠟微膠囊保溫砂漿的制備與性能研究［12－14］，通過偶聯(lián)劑和粘結(jié)劑對(duì)石蠟微膠囊表面改性解決了有機(jī)相變材料與無(wú)機(jī)凝膠材料相容性差、體系粘結(jié)力小的問題，采用纖維增韌技術(shù)解決了相變砂漿制備過程中易開裂等問題。在此基礎(chǔ)上，利用差示量熱－熱重同步分析儀（DSC－>TGA）對(duì)樣品進(jìn)行分析和表征，采用導(dǎo)熱系數(shù)儀檢測(cè)砂漿試件的導(dǎo)熱系數(shù)，考察了偶聯(lián)劑、粘結(jié)劑、石蠟微膠囊摻量變化對(duì)砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律，并通過多路溫度巡檢儀對(duì)砂漿的蓄熱調(diào)溫效果進(jìn)行了檢測(cè)，研究了石蠟微膠囊保溫砂漿的相變蓄熱性能，為低熔點(diǎn)石蠟微膠囊保溫砂漿在建筑節(jié)能工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料及試劑

水泥：P.O42.5R，重慶拉法基水泥廠生產(chǎn)；砂：標(biāo)準(zhǔn)砂；石蠟微膠囊：按文獻(xiàn)［13］方法進(jìn)行中試制備；偶聯(lián)劑：KH－>550，即γ－氨基三乙氧基硅烷，南京曙光化工集團(tuán)生產(chǎn)；粘結(jié)劑：乙烯－乙酸乙烯酯共聚乳液（40%），北京匯能橡塑化工有限公司生產(chǎn)；纖維：聚丙烯纖維，武漢市遠(yuǎn)城集團(tuán)合中生化制造廠生產(chǎn)；水：飲用水，符合JGJ 63－89《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》。

1.2 石蠟微膠囊保溫砂漿的制備

將石蠟微膠囊用硅烷偶聯(lián)劑、粘結(jié)劑混合，并攪拌充分；將改性后的石蠟微膠囊混合料與水泥、砂干拌均勻，再將分散的纖維加入并注入水，在攪拌機(jī)內(nèi)攪拌5min；按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）》（GB 17671－1999）成型，帶模標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d，脫模后再在空氣中自然養(yǎng)護(hù)25d。

1.3 性能測(cè)試

采用PERKIN－>ELMER DSC7差示量熱－熱重同步熱分析儀（DSC－>TGA）測(cè)定石蠟微膠囊及其保溫砂漿的相變溫度和相變潛熱，氣氛為氮?dú)?，升溫速率?℃／min，升溫區(qū)間為20～350、20～100℃。

利用CD－>DR3030A導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，試件規(guī)格為30mm×300mm×300mm。測(cè)試前將樣品置于110℃的烘箱中烘干至恒重，實(shí)驗(yàn)溫差為15℃，采樣3次，結(jié)果取平均值。

在保溫砂漿試塊中預(yù)埋熱電阻，利用KYL8多路溫度巡檢儀測(cè)試樣品在烘箱中加熱升溫以及樣品放置于室外自然降溫時(shí)溫度隨時(shí)間的變化情況。其中熱電阻為pt100，A級(jí)；溫度巡檢儀的基本誤差為±0.2%F·S。

2 結(jié)果與討論

2.1 相變材料及保溫砂漿的相變溫度和熱焓

相變材料的蓄熱性能包括相變溫度、相變焓、相變溫度范圍等。圖1是石蠟微膠囊和石蠟微膠囊保溫砂漿的DSC圖，其中保溫砂漿中石蠟微膠囊含量為10%。從圖1（a）看出，石蠟微膠囊相變溫度為33.81 ℃，相變焓為106.1J／g，相變溫度范圍為30～80℃，相變峰值溫度為42.71℃；從圖1（b）可知石蠟微膠囊保溫?zé)嵘皾{的相變溫度為33.66℃，相變焓為13.17J／g，相變峰值溫度為38.21℃，相變溫度范圍為30～80℃。比較石蠟微膠囊及保溫砂漿的DSC圖可知：石蠟微膠囊應(yīng)用于建筑砂漿體系中，相變溫度、峰值和相變溫度范圍與石蠟微膠囊基本吻合，且熱焓大小基本保持了石蠟微膠囊在砂漿中的添加比例，由此說明復(fù)合在砂漿中的石蠟微膠囊并未改變其相變蓄熱性能。

圖1 石蠟微膠囊和相變蓄熱砂漿的DSC圖

2.2 相變材料的熱穩(wěn)定性和熱循環(huán)壽命

相變材料的熱穩(wěn)定性和熱循環(huán)壽命是影響相變材料在工程應(yīng)用中的一個(gè)重要因素，其性能好壞直接決定了其使用前景。圖2是石蠟的熱失重曲線和微膠囊的熱循環(huán)圖。從圖2（a）可以看出樣品在加熱到220℃開始分解，說明相變石蠟在墻體使用的溫度范圍內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性。從圖2（b）看出石蠟微膠囊經(jīng)4、16、24次DSC熱循環(huán)后，其峰型和峰谷變化一致，說明石蠟微膠囊在相變過程中無(wú)過冷現(xiàn)象和泄漏，經(jīng)多次熱循環(huán)后仍具有良好的使用效果，適合應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域。

2.3 低熔點(diǎn)石蠟微膠囊保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是反映保溫材料保溫性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，合理調(diào)節(jié)砂漿組分配比，對(duì)于改善保溫砂漿的熱工性能至關(guān)重要。從材料的導(dǎo)熱機(jī)制看，材料的導(dǎo)熱系數(shù)取決于材料的組成與結(jié)構(gòu)、孔隙的大小與特性，降低導(dǎo)熱系數(shù)就應(yīng)盡量降低材料的表觀密度，同時(shí)盡可能增加材料內(nèi)部的孔隙數(shù)量［15－16］。筆者針對(duì)各組分（偶聯(lián)劑、粘結(jié)劑、石蠟微膠囊）摻量變化對(duì)砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響進(jìn)行分析研究。

圖2 石蠟的熱失重曲線圖（a）和微膠囊的熱循環(huán)圖（b）

2.3.1 偶聯(lián)劑和粘結(jié)劑摻量變化對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響 表1是不同摻量的偶聯(lián)劑和粘結(jié)劑對(duì)砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響，其中砂漿體系中石蠟微膠囊摻量為10%，偶聯(lián)劑、粘結(jié)劑含量以水泥質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示。

從表1可以看出隨著偶聯(lián)劑和粘結(jié)劑摻量的增加，砂漿體系的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？赡苁怯捎谂悸?lián)劑的加入改善了石蠟微膠囊與水泥基材的相容性，使得石蠟微膠囊顆粒能均勻的分布在砂漿體系內(nèi)部，顆粒間的空隙得到了很好的填充；粘結(jié)劑的加入改善了砂漿結(jié)構(gòu)的致密性，骨料與水泥水化產(chǎn)物已無(wú)明顯的分離，二者緊密的聯(lián)接在一起，大大地改善了保溫性砂漿的界面結(jié)構(gòu)。偶聯(lián)劑和粘結(jié)劑同時(shí)作用，極大地減少了材料體系內(nèi)部存在的盲孔（或連通孔）數(shù)量，從而砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)降低。當(dāng)偶聯(lián)劑含量為12%，粘結(jié)劑含量為6%時(shí)，砂漿體系的導(dǎo)熱系數(shù)為最小0.22W／（m·K）。

表1 不同摻量的偶聯(lián)劑和粘結(jié)劑對(duì)砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.3.2 石蠟微膠囊摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響 圖3是石蠟微膠囊摻量變化對(duì)砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響。由圖3可見，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨石蠟微膠囊摻量的增加先減小后增大。保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)在石蠟微膠囊摻量為6.5%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)降到最低（0.13W／（m·K））?？赡苁怯捎谏倭渴炍⒛z囊的降低了砂漿的密實(shí)度，導(dǎo)致體系內(nèi)存在大量的封閉孔隙，熱阻較大，從而相變蓄熱砂漿體系的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)空白試件降低；但是當(dāng)石蠟微膠囊摻量過大時(shí)，保溫材料內(nèi)部的膠結(jié)組份相對(duì)不足，不能完全包裹住石蠟微膠囊顆粒，導(dǎo)致材料中形成大量的貫通的孔隙，熱阻減小，導(dǎo)熱系數(shù)增大?？紤]到相變砂漿的保溫隔熱效果，石蠟微膠囊摻量在3%～10%范圍時(shí)為宜。

圖3 石蠟微膠囊摻量對(duì)保溫砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.4 相變蓄熱砂漿的蓄熱調(diào)溫性能

圖4是利用KYL8多路溫度巡檢儀測(cè)試的相變蓄熱砂漿升溫（a）、降溫（b）曲線。其中砂漿試件中石蠟微膠囊的含量分別為0、7.8%、10%。由圖4溫度隨時(shí)間變化曲線的平緩程度可知：與空白試件相比，相變蓄熱砂漿升降溫速率明顯要滯后，表現(xiàn)出良好的蓄熱調(diào)溫效果，且石蠟微膠囊含量越高，砂漿的蓄熱調(diào)溫效果越明顯；在加熱升溫過程中，石蠟微膠囊開始發(fā)生固－液物相轉(zhuǎn)變，相變蓄熱砂漿的平均溫度要比空白試件低約3～6℃；在自然降溫過程中，石蠟微膠囊開始發(fā)生液－固物相轉(zhuǎn)變，相變蓄熱砂漿保持溫度恒定的時(shí)間明顯要比空白試件長(zhǎng)。

圖4 相變蓄熱砂漿的升溫（a）、降溫（b）曲線圖

3 結(jié) 論

1）摻入砂漿中低熔點(diǎn)石蠟微膠囊相變材料保留了相變蓄熱性能，呈現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和熱循環(huán)壽命，其相變溫度為33℃，熱焓為13.42J／g，相變溫度范圍為30～80℃。

2）隨著偶聯(lián)劑和粘結(jié)劑的增加，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；隨著石蠟微膠囊摻量的增加，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大；當(dāng)偶聯(lián)劑含量為12%，粘結(jié)劑含量為6%時(shí)，石蠟微膠囊摻量為6.5%時(shí)砂漿體系的導(dǎo)熱系數(shù)為最小0.13W／（m·K）。

3）在升降溫實(shí)驗(yàn)中，相變蓄熱保溫砂漿表現(xiàn)出良好的蓄熱調(diào)溫效果。與空白試件相變，升溫過程中相變蓄熱砂漿平均溫度要低約3～6℃，降溫過程中相變蓄熱砂漿維持溫度恒定的時(shí)間明顯要長(zhǎng)。

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