劉志博于 超程宏達朱超群丁 銳

（1吉林建筑大學材料科學與工程學院本科生，長春 130118 2：吉林建筑大學，長春 130118）

一種新型相變“合金”材料制備及性能研究

劉志博1于 超1程宏達1朱超群1丁 銳2

（1吉林建筑大學材料科學與工程學院本科生，長春 130118 2：吉林建筑大學，長春 130118）

本文制備了一種脂肪酸二元體系相變儲能材料，并采用無機多孔材料進行吸附，制備了一種宏觀上為固-固相變的合金相變體系。并通過DSC, SEM, TG等方法測試了混合體系在融化和凝固過程中的熱特性。二元相變體系的相變溫度為21.31℃、焓變值153.17J/g，復合相變體系的相變溫度為23.6℃、焓變值172.68J/g，相變潛熱較高，相變溫度較低。

相變材料 熱能儲存 硅藻土

1. 引言

相變材料(Phase change materials)定義為：在相轉變過程中，與外在環(huán)境進行熱量交換，放出或吸收熱量，進而達到能量的儲存和釋放的目的，由于其成本低廉、儲熱熱效率高，因此成為了未來節(jié)能材料發(fā)展的主要方向[1,2]。多孔基體復合相變儲能材料是采用無機多孔材料作為吸附載體，如活性炭、硅藻土等，在高真空度下，將相變材料吸附到多孔材料的孔隙當中。由于多孔材料的比較面積較高，因此可吸附較多的相變材料，儲熱密度較大，此外，在相變過程中，由于毛細管張力的作用，液態(tài)的相變材料不能從孔隙當中溢出，使相變材料在宏觀上失去流動性，表現(xiàn)為固-固相變。該類PCM不需容器盛裝，增加了傳熱面積和傳熱效率，可根據(jù)需要制成各種形狀或復合到其他材料中。

2. 實驗部分

實驗原材料：C12H24O2月桂酸；CH3(CH2)8CO(OH) 癸酸；提純硅藻土。

實驗手段：TG、DSC、SEM。

通過差示掃描量熱法對原材料的相變溫度進行測試。測試結果如下：

月桂酸的相變溫度為47℃；癸酸的相變溫度為31℃。二者的相變溫度較低，接近環(huán)境溫度，此外儲熱能力較大，相變焓較高，可用于建筑節(jié)能領域。但是，月桂酸及癸酸的相變溫度都高于居住適宜溫度（18-22℃），因此，根據(jù)低共熔點原理，將這二種物質按照一定的比例混合，使其達到預計的相變溫度區(qū)間，按照施羅德(Schroder)公式[3,4]計算可得到癸酸與月桂酸混合形成低共熔物時的混合比及相應的相變溫度。最后確定的主儲能物質（月桂酸：癸酸）的質量比為30%：70%。

本文所采用的硅藻土為臨江市生產(chǎn)的提純土，其詳細化學成分見表2-1,

表2 -1 硅藻土化學成分分析

硅藻土提純方法，1%稀鹽酸酸洗3次，后經(jīng)蒸餾水洗后，PH值成中性。提純后，硅藻土的有機物基本溶出，擴孔明顯，增加了硅藻土的比表面積。

將提純后的硅藻土放入三口燒瓶中，采用采用真空吸附的方法制備復合相變材料，實驗裝置見圖2-1。具體步驟為：將預先放置好硅藻土的三口燒瓶放入恒溫水浴中，水浴溫度恒定70℃，在真空狀態(tài)下相變材料（月桂酸：癸酸 30%：70%）通過滴管緩慢滴入，流速控制在5ml/min，通過攪拌使其與硅藻土充分復合，通過試驗確定硅藻土與PCM最佳的質量比為1.75：1。

3. 結果及討論

圖3 -1月桂酸：癸酸 3：7 DSC曲線

圖2-1 試驗裝置圖

由圖3-1可知，二元相變儲能材料的的相變溫度為21.3℃，熔點溫度為11.97℃，相變焓153.17J/g，相變溫度基本滿足建筑使用條件，此外儲熱能力較大大，具有很高的應用價值。此外在測試過程中，DSC平緩，沒有亞穩(wěn)態(tài)存在。圖3-2為硅藻土吸附后相變儲能體系的DSC曲線，由圖可知，復合體系的熱力學特征與二元 PCM相近，相變溫度有增高的趨勢（21.3℃-23.6℃），這是由于硅藻土作為無機材料，導熱系數(shù)較低，在相變過程中存在熱傳導時間差及降低了復合體系的導熱系數(shù)所造成的。圖3-3為復合相變體系的TG分析曲線，從圖中可知，復合相變體系在使用溫度區(qū)間內沒有質量損失，復合體系具有很好的結構穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)因溫度而造成的泄漏現(xiàn)象。只有超過組元沸點（197℃）后才開始蒸發(fā)，直到262.6℃二元相變材料完全蒸發(fā)，失重率為56%。

圖3 -2 硅藻土吸附PCM DSC曲線

圖3-3硅藻土吸附TG表征圖

圖3 -4 硅藻土掃描電鏡圖片

圖3 -5 硅藻土吸附 PCM電鏡圖片

圖3-4為硅藻土的SEM圖片，由圖可知，硅藻土具有較好的孔隙結構，可以作為一種良好的多孔吸附材料使用。圖3-5為硅藻土吸附相變材料后的SEM圖片，從圖中可以看出，吸附后，硅藻土的孔結構完全被二元相變材料填充，已經(jīng)復合成一個整體，這是由于硅藻土內部孔結構為納米孔及微米孔復合的介孔結構，比表面積較大，吸附二元相變材料后，孔隙結構的表面張力較高。

4. 結論

（1）二元相變儲能材料（月桂酸和癸酸30%：70%），相變混合體系的相變溫度較低21.3℃，相變焓153.7J/g，熱力學性能穩(wěn)定，適合用于建筑圍護結構節(jié)能材料。

（2）物理方法吸附將相變儲能材料復合到硅藻土多孔基體材料中，制得定型復合相邊體系，通過DSC，TG，SEM的測試分析，表明相變蓄能材料在多孔基體材料中的蓄熱能力得到提高，發(fā)生相變時熱性能穩(wěn)定，相變材料與多孔基體材料能很好的結合。

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