陳　偉，　朱才岳

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院， 浙江 寧波　315100；

2.寧波蛟川構(gòu)件有限公司, 浙江 寧波　315221)

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微膠囊相變砂漿制備及性能研究

陳偉1，朱才岳2

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院， 浙江 寧波315100；

2.寧波蛟川構(gòu)件有限公司, 浙江 寧波315221)

摘要：將微膠囊相變材料與水泥砂漿復(fù)配，考察了相變材料加入量對水泥砂漿相變潛熱、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在水泥、砂子和相變材料質(zhì)量比為100∶160∶30條件下，水泥試塊的相變潛熱為32.5 J· g-1，抗拉強(qiáng)度為12.5 MPa，抗折強(qiáng)度為7.5 MPa。對成型的相變水泥試塊進(jìn)行了30次的凍融實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明，經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，相變水泥砂漿的相變潛熱為26.6 J· g-1，經(jīng)過30次凍融實(shí)驗(yàn)后水泥試塊的相變潛熱為24.2 J· g-1，保溫性能較好。

關(guān)鍵詞：相變材料； 相變潛熱； 抗拉強(qiáng)度； 抗折強(qiáng)度

0引言

在能源利用領(lǐng)域，節(jié)能一直是最重要的課題，隨著人們對節(jié)能技術(shù)的不斷探索，如何利用相變材料在相變過程中的相變潛熱進(jìn)行能量的儲存正成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。將相變材料應(yīng)用于建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠減輕能源的供求之間在時(shí)間和速度上的不匹配程度，有著很好的發(fā)展前景[1-3]。由于有機(jī)類相變材料具有固體狀態(tài)成型性較好,一般不容易出現(xiàn)過冷現(xiàn)象和相分離，材 料的腐蝕性較小、性能穩(wěn)定、毒性較小等優(yōu)點(diǎn)，因此目前使用較廣，而石蠟是應(yīng)用最廣泛的有機(jī)類相變材料[4]。微膠囊化相變材料(MCPCM)是采用微膠囊技術(shù)將相變材料用合成高分子材料或無機(jī)化合物以物理或化學(xué)方法包覆起來，制成穩(wěn)定的固體微粒，這種微?？梢栽诤苷臏囟确秶鷥?nèi)吸收/釋放相變潛熱，具有較為顯著的儲熱調(diào)溫功能[5-8]。目前有許多制備微膠囊的方法，原位聚合法是最為常用的方法之一。原位聚合法是將單體和引發(fā)劑全部置于囊芯外部，隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，聚合產(chǎn)物沉積在囊芯表面并包覆形成微膠囊。該方法制備的相變復(fù)合核殼結(jié)構(gòu)材料具有顆粒尺寸小、壁膜厚度可控、芯材與殼材多樣化等特點(diǎn)，近年來已經(jīng)得到了人們的廣泛關(guān)注[9-11]。本研究利用原位聚合法制備微膠囊包覆石蠟相變材料，并將之與水泥砂漿復(fù)配，考察相變砂漿的儲熱性能及力學(xué)性能，為相變材料在建筑領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用做出一些基礎(chǔ)研究。

1實(shí)驗(yàn)

1.1　原料及儀器

P·O42.5水泥，寧波海螺水泥股份有限公司；

石英砂，市售，均為工業(yè)品；

微膠囊相變材料，自制。

DSC2910示差掃描量熱儀(DSC)，TA Instrument Inc；

DKZ5000抗折強(qiáng)度測試機(jī)，無錫建儀實(shí)驗(yàn)器材有限公司；

MTSCriterion60抗壓強(qiáng)度測試機(jī)，寧波坤寧計(jì)量檢測儀器有限公司。

自制的微膠囊相變材料的基本性能見表 1。

表1　微膠囊相變材料的基本性能

1.2　實(shí)驗(yàn)過程

將水泥、砂子、相變微膠囊按照質(zhì)量比100∶160∶30的比例混合均勻，制成標(biāo)準(zhǔn)試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，測定其熱性能及力學(xué)性能。

1.3　分析方法

1.3.1相變潛熱

用美國TA Instrument Inc公司的DSC2910型差示掃描量熱儀測量微膠囊及保溫砂漿的相變溫度和相變潛熱。樣品于353 K鼓風(fēng)烘箱中烘干，氮?dú)獗Ｗo(hù)，加熱速率為5 K/min。

1.3.2抗拉強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)按照J(rèn)GJ/T70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行實(shí)施，將在(20±2) ℃相對濕度為90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d的70.7 mm×70.7 mm×20 mm的砂漿試塊表面與上夾具表面涂上環(huán)氧樹脂等高強(qiáng)度膠粘劑，將上夾具放在膠粘劑上確保位置不偏斜，養(yǎng)護(hù)24 h。將拉伸粘結(jié)強(qiáng)度夾具安裝到試驗(yàn)機(jī)上,然后將試件置于夾具中,以(5±1) mm/min速度加荷至試件破壞。

1.3.3抗折強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)按照DL/TS126-2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行實(shí)施。

2結(jié)果與討論

相變材料加入量對干混砂漿性能的影響如圖1所示。

2.1　相變材料加入量對水泥試塊相變潛熱的影響

相變微膠囊作為一種保溫材料，其加入水泥砂漿的熱性能影響較大，以水泥為質(zhì)量基準(zhǔn)，在水泥與砂子質(zhì)量比為100∶160條件下，利用美國TA Instrument Inc公司的DSC2910型差示掃描量熱儀考察相變微膠囊加入量對水泥試塊的相變潛熱影響，見圖1(a)。

2.2　相變材料加入量對水泥試塊力學(xué)性能的影響

由于相變材料本身的力學(xué)性能與水泥砂漿體系相比有一定不足，并且制備的微膠囊相變材料為一種有機(jī)物質(zhì)，與無機(jī)基體水泥砂漿復(fù)配后，相互之間還存在一定的相容性問題，因此，相變微膠囊的加入必然影響到水泥試塊的力學(xué)性能，在水泥∶砂子質(zhì)量比為100∶160條件下，利用寧波坤寧計(jì)量檢測儀器有限公司的MTSCriterion60抗壓強(qiáng)度測試機(jī)對水泥試塊的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測定，結(jié)果見圖1(b)。利用無錫建儀實(shí)驗(yàn)器材有限公司的DKZ5000抗折強(qiáng)度測試機(jī)對水泥試塊的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測定，結(jié)果見圖1(c)。

(a) 相變潛熱

(b) 抗壓強(qiáng)度

(c) 抗折強(qiáng)度的影響圖1　相變材料加入量對干混砂漿性能的影響

通過圖1(a)可以看出，隨著相變材料加入量的增加，水泥砂漿的相變潛熱也不斷增加，通過圖1(b)和圖1(c)可以看出，隨著相變材料的加入，水泥砂漿抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度也不斷下降，在相變材料加入量為水泥質(zhì)量的30%時(shí)，相變砂漿的相變潛熱為32.5 J· g-1，抗拉強(qiáng)度為12.5 MPa，抗折強(qiáng)度為7.5 MPa，保溫性能較好，力學(xué)性能滿足建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求；繼續(xù)增大相變材料加入量，雖然相變潛熱仍能繼續(xù)提高，不過作為水泥砂漿而言，力學(xué)性能是其最基本的性能指標(biāo)，不宜過低，因此確定適宜的相變材料加入量為30%

2.3　相變水泥砂漿的耐久性分析

通過以上分析，證明相變材料的加入可以增強(qiáng)砂漿的保溫性能，為進(jìn)一步考察相變水泥砂漿的耐候性，利用高低溫試驗(yàn)箱在-10~35 ℃區(qū)間進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn)，考察30次溫度變化時(shí)水泥試塊的相變潛熱，結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同凍融次數(shù)下干混砂漿的相變潛熱

通過圖2可以看出，隨著凍融實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，相變水泥砂漿的保溫性能也緩慢劣化，經(jīng)過20次凍融實(shí)驗(yàn)后，相變潛熱仍可達(dá)到26.6 J· g-1；隨后相變潛熱隨著凍融次數(shù)的增加下降較快，保溫性能也逐漸劣化，但即使凍融實(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)到30次后，相變潛熱也僅下降到24.2 J· g-1，保溫性能較好。另外，對30次凍融循環(huán)后的水泥試塊的力學(xué)性能進(jìn)行了測定，通過測定，其抗拉強(qiáng)度為10 MPa，抗折強(qiáng)度為5 MPa，證明其力學(xué)性能損失不大。

3結(jié)語

1)通過DSC2910示差掃描量熱儀、MTSCriterion60抗壓強(qiáng)度測試機(jī)和DKZ5000抗折強(qiáng)度測試機(jī)對不同相變材料加入量，考察了微膠囊相變材料的加入量對水泥砂漿保溫性能和力學(xué)性能的影響，結(jié)果證明，在相變材料加入量為水泥質(zhì)量30%的條件下，相變水泥砂漿的相變潛熱為32.5 J· g-1，抗壓強(qiáng)度為12.5 MPa，抗折強(qiáng)度為7.5 MPa。

2)對成型的相變水泥試塊進(jìn)行了30次凍融實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明，經(jīng)過20次凍融實(shí)驗(yàn)后，水泥試塊的相變潛熱為26.6 J· g-1，經(jīng)過30次凍融實(shí)驗(yàn)后，水泥試塊的相變潛熱為24.2 J· g-1，保溫性能較好。

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Preparation of microcapsule phase change material mortar

CHEN Wei1,ZHU Cai-yue2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China;

2.Component Co., Ltd. Ningbo Jiaochuan, Ningbo 315221, China)

Abstract：Phase-changed material is mixed with mortar to study how it influence the latent heat, tensile strength and bending strength of the mixed mortar. The results show that when the ratio between cement, sand and phase-changed material is 100∶160∶30, the latent heat, tensile strength and bending strength of mortar is 32.5 J· g-1，12.5 MPa and 7.5 MPa respectively. 30-time freeze thaw experiments indicate that the latent heat of phase-changed material mortar is 26.6 J· g-1after testing 20 times, and reach up to 24.2 J· g-1after 30 times, which demonstrate the better temperature saving performance.

Key words：phase-changed material; latent heat; tensile strength; bending strength.

作者簡介：陳偉(1975-)，男，漢族，浙江寧波人，浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院工程師，碩士，主要從事建筑工程材料、混凝土耐久性方向研究,E-mail:chenw@nit.zju.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51008276); 寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2011B81005)

收稿日期：2014-11-14

中圖分類號：TU 111.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1374(2015)01-0077-04

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.16