陳少磊田玉琢

1上海華電閔行能源有限公司 2上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院

隨著人類社會(huì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，能源的需求量和消耗量都在逐年上升，能源浪費(fèi)的情況也愈加嚴(yán)重。因此，節(jié)能環(huán)保材料開始受到廣泛關(guān)注。相變材料（PCM-Phase Change Material）是指隨著外界溫度的變化，內(nèi)部的物質(zhì)狀態(tài)同時(shí)發(fā)生改變，并會(huì)吸收或者釋放大量潛熱的物質(zhì)[1]。相變材料是一種良好的綠色環(huán)保載體，它具有體積小、儲(chǔ)熱密度高、溫度較為穩(wěn)定和易于控制等特點(diǎn)，節(jié)能效果顯著，因此在人類的生活中有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 相變材料的分類

相變儲(chǔ)熱材料的常見分類方式有三種，第一種是按照相變形式，可分為固-固、固-液、固-氣、液-氣儲(chǔ)熱材料。其中，固-氣相變材料和液-氣相變材料在發(fā)生物理性質(zhì)變化的過(guò)程中，會(huì)釋放大量的相變潛熱。此材料應(yīng)是較為理想的選擇，但是由于變化后存在大量的氣體，使材料的體積變化非常大，因此在生活中較難使用。而固-固相變和固-液相比也擁有著較不錯(cuò)的相變潛熱，且它們克服了氣體相變材料體積變化大的不足，因此成為最常使用的相變儲(chǔ)熱材料。常見的固-固相變儲(chǔ)熱材料有多元醇、高分子類和層狀鈣鈦礦，常見的固-液相變儲(chǔ)熱材料有硫酸鈉類、醋酸鈉類、氯化鈣類和磷酸鹽類等[2]。

第二種分類方式是按照材料的相變溫度，可分為低溫相變材料、中溫相變材料和高溫相變材料。一般情況下，把相變溫度Tm在-50℃～90℃范圍內(nèi)的材料稱為常低溫相變儲(chǔ)熱材料，應(yīng)用最廣的常低溫相變儲(chǔ)熱材料就是石蠟。中溫相變儲(chǔ)熱材料的相變溫度變化范圍是90℃～400℃，此前國(guó)內(nèi)外對(duì)于中溫相變儲(chǔ)熱材料的研究較少，但是由于中溫相變材料的相變溫度變化范圍較為寬泛（大約有360℃），并且其物質(zhì)形態(tài)幾乎包括了相變儲(chǔ)熱材料的所有類型，近年來(lái)大熱的太陽(yáng)能熱發(fā)電、移動(dòng)蓄熱技術(shù)使中溫相變材料也得到了廣泛關(guān)注。而相變溫度在400℃以上的材料就是高溫相變材料，常見的高溫相變材料有鹽與復(fù)合鹽、金屬、合金等，主要應(yīng)用于太陽(yáng)能的利用和高溫?zé)煔庥酂峄厥盏确矫鎇3]。

第三種分類方式就是按照成分分類，可分為無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料。無(wú)機(jī)類相變材料使用溫度寬、體積小、形態(tài)穩(wěn)定；有機(jī)類相變材料的成型較為優(yōu)良，沒(méi)有過(guò)冷現(xiàn)象，也沒(méi)有相分離現(xiàn)象，且有機(jī)類相變材料的腐蝕性較小，性能也相對(duì)穩(wěn)定，不足的地方就是其導(dǎo)熱率較其他材料更低；復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料則是克服了無(wú)機(jī)類或有機(jī)類的單一的缺點(diǎn)并集合兩者的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)逐漸成為研究熱點(diǎn)[4]。

2 相變材料的制備方法

2.1 相變建材的制備

在建筑方面，制備復(fù)合相變材料主要有三種方法：一是浸漬法，這種方法是將多孔的建筑材料浸泡在熔融狀態(tài)的相變材料中，利用毛細(xì)作用吸附相變材料。這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是操作簡(jiǎn)單，限制條件少，可以隨時(shí)隨地將普通建筑材料變成相變建材。并且由于大多數(shù)的建材都有固定的結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)熔融狀態(tài)下的相變材料產(chǎn)生約束，所以相變材料不會(huì)流淌。

二是直接加入法，直接加入法就是在制作建筑材料的過(guò)程中，直接將相變材料作為一種成分加入到混合物中。這種方法與第一種方法相比較操作更為簡(jiǎn)單，造價(jià)成本也較為廉價(jià)，并且相變材料能夠均勻分布在建材之中。

第三種方法是封裝法，此方法是將相變材料進(jìn)行封裝之后再與普通建材相復(fù)合形成新材料。封裝法又分為宏觀封裝和微觀封裝。宏觀封裝是將相變材料封裝在一個(gè)有約束性質(zhì)的容器之中，微觀封裝法是將相變材料顆粒封閉在高分子聚合物薄膜中，且各材料之間都相容。封裝法的優(yōu)點(diǎn)就是建筑材料的傳熱面積大，傳熱效果好[5]。

2.2 相變紡織材料的制備

相變紡織材料的制備方法可分為以下四種：

（1）紡絲法。該方法是將相變材料微膠囊添加到紡絲熔體當(dāng)中，生產(chǎn)出含有相變材料微膠囊的纖維，然后再與其他纖維混紡。該方法易操作，現(xiàn)已應(yīng)用于紡織品的制作之中。

（2）相變材料微膠囊法。該方法是將相變材料放于特制的微膠囊之中，然后再將微膠囊混合在紡織材料的表面。這樣可以使相變材料更平均地融入紡織材料，增大面料的熱傳導(dǎo)面積。這是生產(chǎn)相變材料最常用的方法之一。

（3）中空纖維填充法。這種方法是先將纖維的內(nèi)徑進(jìn)行處理，使纖維和相變材料能夠更好地結(jié)合，并且要在相變材料中添加表面活性劑，使其表面性能得到增強(qiáng)，能夠順利進(jìn)入到中空纖維中。然后要將已經(jīng)填充了相變材料的纖維放置于相變材料溶液中，一段時(shí)間后取出并進(jìn)行干燥，再將兩頭進(jìn)行封閉，防止相變材料泄漏，保證保溫時(shí)間。

（4）后整理法。后整理法分為浸漬法和涂層法，浸漬法與建材的浸漬法類似，將原始紡織材料浸泡在浸漬液下得到新材料，涂層法是將涂層漿液于紡織面料表層然后烘干。浸漬液和涂層漿液需要有相變材料微膠囊、乳化劑、分散劑和催化劑等，以提高復(fù)合效果[6]。

3 相變材料的廣泛應(yīng)用

3.1 航天方面的應(yīng)用

外太空的溫度屬于極寒或者極熱環(huán)境，這對(duì)航天器外殼、內(nèi)部?jī)x器儀表和宇航員的服裝的要求都非常嚴(yán)格，普通的材料不能適用于這種條件。為了研制出一種特殊材料克服這種惡劣環(huán)境，美國(guó)和前蘇聯(lián)的科學(xué)家首先研制出相變材料，應(yīng)用在了返回艙的外殼和宇航員服裝上，解決了之前的難題。

人造衛(wèi)星上的電子儀器的正常運(yùn)行溫度通常是15℃～35℃，在20℃～30℃內(nèi)為最佳運(yùn)行溫度，這就需要一種精密的溫控裝置，使得衛(wèi)星內(nèi)部的溫度不受外表面的溫度劇烈變化而變化，維持在一個(gè)恒定狀態(tài)。用相變儲(chǔ)熱材料制成的溫控裝置能很好地達(dá)到這一目的。當(dāng)外部溫度高于所需要的特定溫度時(shí)，相變儲(chǔ)熱材料就開始熔融吸熱；而當(dāng)外部材料低于所需要的特定溫度時(shí)，相變儲(chǔ)熱材料就開始結(jié)晶放熱，使得衛(wèi)星內(nèi)部的溫度維持在恒定的最佳溫度[7]。

航天員的艙外航天服同樣需要較好的溫控系統(tǒng)，當(dāng)航天員從艙內(nèi)走出到艙外時(shí)，溫控系統(tǒng)需要將整個(gè)飛行過(guò)程中，航天器內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱能和航天員自身新陳代謝所產(chǎn)生的能量都排放到環(huán)境中。同時(shí)，航天服也要保證航天員在艙外行走方便和安全，服裝的體積變化不能過(guò)大。這種溫控系統(tǒng)可以通過(guò)相變儲(chǔ)熱材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄嘧儍?chǔ)熱材料的相變溫度較為穩(wěn)定，體積變化小，傳熱性能好，不會(huì)對(duì)航天員的身體健康造成危害[7]。

3.2 建筑方面的應(yīng)用

相變材料在建筑方面的應(yīng)用，在外墻、地板和家具中都有體現(xiàn)。在墻體的混凝土中加入相變材料，可以加強(qiáng)墻體的保溫性能，使得室內(nèi)大致維持在一個(gè)比較適宜的溫度，減少室內(nèi)空調(diào)的使用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的[8]。將相變材料運(yùn)用到地板上可以制成一種相變發(fā)熱地板，其外觀與常規(guī)木地板無(wú)異，但是它具有相變材料才有的高儲(chǔ)熱特性，結(jié)合碳晶材料的高導(dǎo)熱技術(shù)，并利用峰谷電價(jià)，減少電能消耗?，F(xiàn)代生活中，所有的樓房幾乎都離不開窗戶，但是窗戶也是增加建筑物能耗的主要原因之一。在炎熱的夏天，陽(yáng)光可以透過(guò)窗戶直接射入室內(nèi)，造成室內(nèi)溫度很高。而在寒冷的冬天，普通窗戶也沒(méi)有保溫的效果，熱量也會(huì)流失到室外，室內(nèi)溫度很低。而相變材料制成的窗戶會(huì)有效地彌補(bǔ)這方面的不足，夏天能夠減少陽(yáng)光的照射，使房間內(nèi)溫度不會(huì)過(guò)于升高，冬天也能夠保持室內(nèi)溫度較為恒定而不至于使熱量流失。但是用于制作窗戶的相變材料必須要是透明的才能保證光線的通過(guò)[9]。

相變材料不僅可以運(yùn)用于普通的樓房建筑和室內(nèi)家居，在室外也同樣適用。如崗?fù)げ捎脽o(wú)機(jī)相變材料儲(chǔ)能技術(shù)作為主要的恒溫方式，能在斷電情況下保持室內(nèi)溫度恒定數(shù)小時(shí)，從而減少空調(diào)使用，冬暖夏涼，為設(shè)備和工作人員提供了適宜的工作溫度。電力、冶金、交通、部隊(duì)等行業(yè)的室外建筑都可以采用相變儲(chǔ)能材料。

3.3 制冷設(shè)備方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)制冷設(shè)備，如冰箱、空調(diào)、冷藏車等，幾乎都是通過(guò)壓縮機(jī)對(duì)制冷系統(tǒng)做功達(dá)到制冷的效果。這種做法不僅耗電量特別大，而且不環(huán)保，不符合當(dāng)代節(jié)約能源方面的要求。采用相變技術(shù)，可以代替壓縮機(jī)節(jié)能60%以上。

隨著自然災(zāi)害和突發(fā)事故的發(fā)生，例如地震、大型車禍，往往會(huì)出現(xiàn)大范圍的傷病人員和后續(xù)疫情，這時(shí)會(huì)急需大量的血液、疫苗進(jìn)行救治和防疫。然而，發(fā)生大型災(zāi)難之后，往往會(huì)造成路面擁堵，外來(lái)車輛不能快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，加上醫(yī)護(hù)人員不足，這類基礎(chǔ)物資通常不能及時(shí)地供應(yīng)，因此研制一種由相變材料制成的無(wú)源、高效、保溫時(shí)間長(zhǎng)的便攜式冷鏈保障裝備具有重要的意義。

空調(diào)可以說(shuō)是家家戶戶必備的電器之一，尤其是在四季分明的華中長(zhǎng)江沿岸，夏天通過(guò)空調(diào)制冷，冬天運(yùn)用空調(diào)制熱。空調(diào)的處理系統(tǒng)中一般都含有水和冰，環(huán)保的制冷空調(diào)還會(huì)含有相變材料。相變儲(chǔ)能材料的體積較其他儲(chǔ)能物質(zhì)要小得多，這樣可以提高空調(diào)處理系統(tǒng)對(duì)于能量的利用率。對(duì)空調(diào)使用的相變材料一般是添加了鋁粉末的石蠟，這種相變儲(chǔ)能材料初期的投入成本較高，但是在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的費(fèi)用會(huì)低得多。因此相變材料在制冷設(shè)備方面有著廣泛的應(yīng)用前景[9]。

3.4 紡織方面的應(yīng)用

當(dāng)人體所處的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，外界溫度必然會(huì)發(fā)生變化，僅憑人體機(jī)能無(wú)法快速適應(yīng)，比如消防員、工廠工人、軍事訓(xùn)練者以及前文中提到的宇航員都會(huì)面臨這樣的情況，那么我們有必要制作一種智能調(diào)溫紡織品，它可以對(duì)周圍環(huán)境的溫度變化做出反應(yīng)，發(fā)生固-液可逆變化，達(dá)到雙向溫度調(diào)節(jié)的作用，給人體創(chuàng)造一個(gè)舒適的溫度環(huán)境。

在我們睡覺的時(shí)候，由相變儲(chǔ)能材料制成的床上用品，比如被褥、床單、枕頭等都能給我們帶來(lái)很大的便利。它們通過(guò)相變材料特有的恒溫性質(zhì)，即保暖，使床上的環(huán)境保持在一個(gè)舒適的溫度，睡眠者才能夠一直保持良好的睡眠狀態(tài)[10]。

在醫(yī)學(xué)方面，譬如醫(yī)用口罩、醫(yī)用繃帶、醫(yī)用手套等都可以使用相變材料，這對(duì)整個(gè)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步是很有幫助的。英國(guó)的STP公司將微膠囊和紗布結(jié)合達(dá)到了良好的殺菌效果；英國(guó)皇家藝術(shù)院將藥物制作成微膠囊，使其成分散發(fā)到血液中，開發(fā)出可以減緩關(guān)節(jié)炎等慢性疾病的產(chǎn)品。日本KOMATSU SEIREN公司將防螨介質(zhì)膠囊植于面料表面進(jìn)行防螨處理，能夠有效的保護(hù)皮膚，不受螨蟲困擾[6]。

4 結(jié)論

相變材料作為一種環(huán)保型材料，從1982年被美國(guó)提出，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，現(xiàn)在的理論研究已經(jīng)日益成熟，并且可以被廣泛應(yīng)用在我們的日常生活中，給我們的生活提供便利。然而現(xiàn)有的相變材料種類有限，我們?nèi)孕枰芯砍鲞m用于不同場(chǎng)合、價(jià)格低廉，可以真正走進(jìn)尋常百姓家且具有傳統(tǒng)相變材料特點(diǎn)的新型相變材料。除此之外，在相變材料的制備方法上我們也可以抱有期望。如何制備出一種相變材料，使其更好地融入到主體材料之中，仍舊是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

我國(guó)作為世界上的能源消耗大國(guó)，在相變材料上的起步較晚，因此我們需要加倍的努力，縮小與其他發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，爭(zhēng)取在新型相變材料的制作上實(shí)現(xiàn)飛速發(fā)展，響應(yīng)國(guó)家政策，堅(jiān)持走綠色發(fā)展之路。