魏婷，許芳芳，葉志林，鄭柏存

（華東理工大學 體育新材料研發(fā)中心，上?！?00237）

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十八烷微膠囊/石膏板復合相變材料的性能研究

魏婷，許芳芳，葉志林，鄭柏存

（華東理工大學 體育新材料研發(fā)中心，上海200237）

摘要：表征了幾種相變石膏板的力學性能和儲能性能。結果表明：當十八烷微膠囊含量在0～13.6%時，相變石膏板的力學性能均能符合GB/T 9776—2008要求；當十八烷微膠囊含量為13.6%時，相變石膏板的抗折強度為3.3MPa、抗壓強度為3.6MPa、熔融溫度為26.9℃、熔融焓為10.41 J/g、標準溫度阻尼率為0.91，并且耐久性能良好。

關鍵詞：十八烷微膠囊；相變石膏板；熱性能；力學性能

0　前言

20世紀70年代末以來，我國建筑能耗總量在能源消耗總量中所占的比例從10%上升到27.6%［1］，這個比例還在繼續(xù)增長，在全球能源危機的大背景下，注重建筑節(jié)能具有緊迫性和戰(zhàn)略性。近年來，科學工作者將相變儲能材料（PCM）與傳統(tǒng)建筑材料復合，制成環(huán)保型相變儲能建筑材料（phase change building materials，PCBM），將能量以相變潛熱的形式進行貯存，實現(xiàn)能量在不同時間、空間位置之間的轉(zhuǎn)換，以達到減少室內(nèi)溫度波動，提高舒適度，節(jié)省制冷和采暖費用的作用［2-8］。2014年7月發(fā)改委發(fā)布的《國家重點推廣的低碳技術目錄》提倡多能源互補的分布式能源技術，建議使用相變儲能材料。同年11月，國家發(fā)改委、財政部、工信部聯(lián)合印發(fā)的《關鍵材料升級換代工程實施方案》中更是明確指出將相變石膏板列入國家關鍵升級換代產(chǎn)品。因此，本研究討論適合人體熱舒適性的十八烷微膠囊/石膏板復合相變材料具有重要的現(xiàn)實意義。

本文采用共混法制備含有十八烷微膠囊的相變石膏板，討論了十八烷微膠囊對相變石膏板力學性能和儲熱性能的影響規(guī)律，同時還研究了相變石膏板的熔融結晶曲線特征和耐久性。

1　實驗

1.1原料

十八烷相變微膠囊，實驗室自制，平均粒徑0.2μm，相變溫度27.5℃，相變焓109.0 J/g；半水石膏：上海埃比建筑材料有限公司。

1.2相變石膏板的制備

將十八烷微膠囊與半水石膏用水混合均勻，迅速倒入160mm×40mm×13mm模具中，十八烷微膠囊含量分別為0、5.3%、7.5%、11.1%、13.6%和17.7%（以半水石膏質(zhì)量為基準）。2 h后拆模，并將相變石膏板置于烘箱干燥至恒重。

1.3相變石膏板的性能測試與表征

力學性能表征：參照GB/T9776—2008《建筑石膏》，在壓力試驗機（YAW-300C）上對標準樣塊進行測試，每個樣品平行3次。

DSC表征：取5～10 mg相變石膏于差示掃描量熱儀（DSC-8000，德國PerkinElmer公司）中測試相變溫度和相變焓，測試條件：氮氣氛，溫度范圍為-20～60℃，升溫速率為10℃/min。

儲/放熱性能測試：將熱電偶置于石膏板內(nèi)，石膏板在40℃的烘箱內(nèi)保持恒溫，然后迅速取出置于5℃冷環(huán)境中，每間隔20s采集1次溫度數(shù)據(jù)，記錄溫度-時間曲線。當石膏板溫度穩(wěn)定于5℃后，再將其迅速取出放入40℃的烘箱，記錄升溫過程中的溫度-時間曲線。

冷熱循環(huán)實驗：采用上述儲/放熱實驗方法進行300次循環(huán)實驗來測試相變石膏板的耐久性。

2　結果與分析

2.1微膠囊含量對相變石膏板力學性能的影響（見圖1）

從圖1可以看出，隨著相變微膠囊的加入，相變石膏板強度逐漸降低，其中抗壓強度呈線性下降，相關線性方程為y= 8.55-0.359x，相關系數(shù)為0.9968?？拐蹚姸纫搽S著微膠囊含量的增加而降低，當微膠囊含量從5.3%增加到13.6%時，抗折強度在3.3～3.7MPa間浮動，繼續(xù)增加微膠囊含量至17.7%，相變石膏板的抗折強度下降明顯，但仍符合GB/T 9776—2008 中1.6等級要求。增加微膠囊含量導致石膏板強度下降的原因在于，石膏板中起膠凝作用的石膏體積分數(shù)逐漸減小。

2.2相變石膏板的DSC表征（見圖2）

從圖2可以看出，不同微膠囊含量的相變石膏板均具有儲放熱功能，熔融過程中曲線顯示為單峰，此時熔融溫度為（26.6±0.5）℃，熔融焓隨微膠囊含量的增大而線性增加，當微膠囊含量為13.6%時，熔融焓達到10.41 J/g。結晶曲線顯示為雙峰，且隨著微膠囊含量的增大相變石膏板焓值和其β峰結晶溫度都逐漸增加，其中β峰結晶溫度分別為14.1、15.3、 16.8和17.1℃，α結晶峰溫度值基本不變，為（21.5±0.7）℃，結晶焓值分別為2.52、5.07、6.70和9.71 J/g。參照我國民用建筑舒適性溫度為16～26℃，顯然此相變石膏板溫度合適。若相變石膏板密度為968 kg/m3，則微膠囊含量為13.6%時，1m×1 m×0.013m的相變石膏板能提供約130kJ的熱量。

2.3相變石膏板儲放熱性能

選用微膠囊含量為13.6%的相變石膏板進行儲放熱性能研究，結果見圖3。

圖2　相變石膏板的DSC曲線

圖3　相變石膏板和普通石膏板的儲放熱曲線

從圖3（a）升溫曲線可以看出，當石膏板溫度低于23℃時，2種石膏板升溫速率相同，當溫度達到26～30℃時，相變石膏板與普通石膏板相比出現(xiàn)明顯的溫度滯后現(xiàn)象，此時相變材料在石膏板內(nèi)發(fā)生固液相轉(zhuǎn)變，當相變過程完全結束后，2種石膏板最終都與環(huán)境溫度達到平衡。放熱過程與儲熱過程相反。從圖3（b）放熱曲線可以看出，從30℃開始相變石膏板的降溫速率明顯降低，整個降溫過程中最大溫差可以達到5.4℃。

相變石膏板的這種儲放熱性能使石膏板具有一定的節(jié)能效果，艾明星和曹力強［9］提出，使用標準溫度阻尼率r分析節(jié)能系統(tǒng)內(nèi)舒適溫度的持續(xù)時間與節(jié)能量之間的關系。式中：τ1—相變石膏板從25℃降到16℃所需的時間，min；

τ2—普通石膏板從25℃降到16℃所需的時間，min。

表1顯示若使用相變石膏板室內(nèi)熱舒適性持續(xù)時間增加近1倍，進而降低空調(diào)的使用時間以達到節(jié)能的目的。

表1　標準溫度阻尼率

2.4相變石膏板的耐久性

石膏板耐久性能是判斷其實際使用價值的重要指標之一，因此這里對相變石膏板進行了冷熱循環(huán)試驗。循環(huán)300次后相變石膏板外觀完整，表面光潔無油漬，它的儲熱性能用DSC曲線表征（見圖4）。

圖4　300次冷熱循環(huán)后相變石膏板的DSC曲線

從圖4可以看出，十八烷微膠囊含量為13.6%時，經(jīng)300次冷熱循環(huán)后，相變石膏板的儲放熱曲線沒有明顯變化，熔融溫度溫度為26.9℃，熔融焓為9.82 J/g，結晶溫度為22.2℃，結晶焓為9.21J/g。這些數(shù)據(jù)與循環(huán)之前的數(shù)據(jù)相差不大，說明此相變石膏板耐久性能良好。

3　結論

（1）隨著相變微膠囊含量的增加，相變石膏板的抗壓強度和抗折強度均下降，當微膠囊含量增加到13.6%時，仍然符合GB/T9776—2008中1.6等級的要求。

（2）DSC曲線顯示所有相變石膏板均具有儲放熱功能，其熔融溫度為（26.6±0.5）℃，熔融焓隨微膠囊含量的增大而線性增加。結晶曲線顯示雙峰，結晶焓也隨著微膠囊含量的增大而增加。

（3）當微膠囊含量為13.6%時，相變石膏板與普通石膏板的最大溫差能達到5.4℃，標準溫度阻尼率為0.91，并且表現(xiàn)良好的耐久性能。

參考文獻：

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［9］艾明星，曹力強.相變蓄能建筑材料的節(jié)能評價研究［J］.建筑節(jié)能，2008，36（4）：40-44.

中圖分類號：TU111.4

文獻標識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）05-0095-03

收稿日期：2015-11-12

作者簡介：魏婷，女，1982年生，湖北鐘祥人，助理研究員，主要從事相變節(jié)能材料的制備、表征與應用。

Performances study on the phase change plasterboards with octadecane microcapsules

WEI Ting，XU Fangfang，YE Zhilin，ZHENG Baicun
（Research&Development Center for Sports Materials，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

Abstract：Several properties of the phase change plasterboards were tested in this study.The results show that when the octadecane microcapsule content is 0～13.6%，all the phase change plasterboards can meet the national standard GB/T 9776—2008. Whenthe microcapsules content is 13.6%，the properties of the plasterboards showthe flexural strengthwith3.3 MPa，the compressive strength with 3.6 MPa，the melting temperature with 26.9℃，the melting enthalpy with 10.41 J/g，and the standard temperature damping rate with 0.91.The durability is good.

Key words：octadecane microcapsules，phase change plasterboard，thermal performance，mechanical properties