張 浩，李海麗

(安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

相變調(diào)濕復(fù)合材料是一種新型的節(jié)能與環(huán)保材料[1-3]，其利用微膠囊技術(shù)將具有相變調(diào)溫性能的相變芯材通過具有儲(chǔ)濕調(diào)濕性能的無機(jī)多孔殼材包覆起來，一方面避免了相變芯材與外界環(huán)境直接接觸，另一方面提高了無機(jī)多孔殼材與外界環(huán)境接觸面積，形成一種具有良好分散性能、熱傳輸性能和濕傳輸性能的相變調(diào)濕微粒[4-5]，以達(dá)到降低室內(nèi)溫濕度波動(dòng)，提高室內(nèi)環(huán)境舒適度的目的[6-7]。目前，對(duì)于相變調(diào)濕復(fù)合材料的研究普遍關(guān)注相變芯材與無機(jī)多孔殼材的選擇[8-9]，以及通過合理的相變芯材與無機(jī)多孔殼材比例提高相變調(diào)濕復(fù)合材料的綜合熱濕性能[10-11]。但是相變調(diào)濕復(fù)合材料的綜合熱濕性能不僅與相變芯材與無機(jī)多孔殼材的性質(zhì)，以及其質(zhì)量比有關(guān)，而且與相變調(diào)濕復(fù)合材料的粒度分布、微觀形貌密切相關(guān)。尤其在相變調(diào)濕復(fù)合材料制備過程中，乳化劑對(duì)相變芯材的乳化分散效果是否穩(wěn)定，對(duì)改善相變調(diào)濕復(fù)合材料的粒度分布與均勻程度，提高相變調(diào)濕復(fù)合材料的分散性具有重要作用，直接影響相變調(diào)濕復(fù)合材料的性能[12]。目前相關(guān)研究文獻(xiàn)中，針對(duì)乳化劑的選擇及其在相變調(diào)濕復(fù)合材料制備過程中的作用機(jī)理探討研究報(bào)道較少。

本工作在課題組前期研究成果的基礎(chǔ)上[13]，以司盤-80、吐溫-80和十二烷基硫酸鈉合成復(fù)合乳化劑[14]，以SiO2為載體材料，棕櫚醇-棕櫚酸-月桂酸為相變材料，采用溶膠-凝膠法制備一系列相變調(diào)濕復(fù)合材料。利用激光粒度分析儀、掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜儀、差示掃描量熱儀和動(dòng)態(tài)水分吸附分析儀研究了不同復(fù)合乳化劑配方對(duì)相變調(diào)濕復(fù)合材料粒度分布、微觀形貌、組成結(jié)構(gòu)、熱性能與濕性能的影響，分析了復(fù)合乳化劑對(duì)相變調(diào)濕復(fù)合材料熱性能與濕性能的影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試劑

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

相變材料乳液的制備：將3.43g棕櫚醇、2.29g棕櫚酸、5.72g月桂酸和一定量復(fù)合乳化劑(見表1)進(jìn)行混合，放入溫度60℃、功率115W的超聲波細(xì)胞破碎儀中分散120min得相變材料乳液。SiO2溶膠的制備：將20.8g正硅酸乙酯、24.1g無水乙醇、2.5g硅烷偶聯(lián)劑KH570和16.3g去離子水進(jìn)行混合，放入溫度60℃、功率115W的超聲波細(xì)胞破碎儀中分散30min，利用鹽酸和氨水調(diào)整混合液pH值為2.68，繼續(xù)超聲分散15min得SiO2溶膠。相變調(diào)濕復(fù)合材料的制備：將相變材料乳液與SiO2溶膠進(jìn)行混合，放入溫度60℃、功率115W的超聲波細(xì)胞破碎儀中分散60min得水溶膠，將水溶膠置于溫度60℃的恒溫水浴鍋中進(jìn)行陳化得凝膠，并且以溫度80℃的干燥箱進(jìn)行烘干8h得相變調(diào)濕復(fù)合材料。

表1 相變調(diào)濕復(fù)合材料中復(fù)合乳化劑的配方Table 1 Formula of compound emulsifier in phase change and humidity controlling composites

1.3 性能測試及表征

采用NANOPHOX型激光粒度分析儀測試相變調(diào)濕復(fù)合材料的粒度分布；JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡測試相變調(diào)濕復(fù)合材料的微觀形貌[15]；BRUKER UE-CIOR22型傅里葉變換紅外光譜儀測試相變調(diào)濕復(fù)合材料的組成結(jié)構(gòu)[16]；TA2910型差示掃描量熱儀測試相變調(diào)濕復(fù)合材料的熱性能；DVS Intrinsic型動(dòng)態(tài)水分吸附分析儀測試相變調(diào)濕復(fù)合材料的濕性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合乳化劑作對(duì)粒度分布的影響

表2為相變調(diào)濕復(fù)合材料的粒度分布與均勻程度，其中d90/d10為粒度分布寬度比系數(shù)，(d90-d10)/d50為粒徑分布寬度，粒度分布寬度比系數(shù)和粒徑分布寬度越大，說明相變調(diào)濕復(fù)合材料的粒度分布均勻程度越寬。

從表2可以看出，試樣1～6的粒度分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于文獻(xiàn)[13]中的相關(guān)報(bào)道，說明復(fù)合乳化劑對(duì)相變材料具有良好的乳化分散作用，形成性能穩(wěn)定的相變材料乳液，有利于改善相變調(diào)濕復(fù)合材料的粒度分布與均勻程度。進(jìn)一步分析表2還可以看出以Span-80與Tween-80為復(fù)合乳化劑的試樣1～ 3，其粒度分布隨著Span-80與Tween-80的質(zhì)量比降低呈現(xiàn)減小的趨勢，這是因?yàn)镾pan-80屬于不溶于水的非離子表面活性劑，其含有多個(gè)羥基的多元醇，利用羥基和水的親和力具有兩親性結(jié)構(gòu)；Tween-80屬于水溶性表面活性劑，將其與Span-80混合可以協(xié)同提高對(duì)相變材料的乳化效果，有利于相變調(diào)濕復(fù)合材料粒度分布的改善。均勻程度隨著Span-80與Tween-80的質(zhì)量比降低呈現(xiàn)先小幅變窄后大幅變寬的趨勢，這是因?yàn)樵嚇?中Span-80與Tween-80的質(zhì)量比為1∶2，有利于相變調(diào)濕復(fù)合材料表面帶有更多的親水基團(tuán)可以提高分散性，由于小粒徑(d10)顆粒的比表面積大于大粒徑(d90)顆粒的比表面積，所以小粒徑(d10)顆粒更容易分散。以Span-80，Tween-80與SDS為復(fù)合乳化劑的試樣4～6，其粒度分布與均勻程度隨著SDS用量的增加呈現(xiàn)先大幅改善后穩(wěn)定的趨勢，并且明顯優(yōu)于試樣1～3的粒度分布與均勻程度，這是因?yàn)镾DS屬于陰離子型表面活性劑，其含有疏水的烷基鏈和親水的硫酸根基團(tuán)，利用疏水的烷基鏈與相變材料乳液結(jié)合、親水性的硫酸根離子與SiO2溶膠結(jié)合，形成的相變調(diào)濕復(fù)合材料不僅減小了粒徑尺寸而且提高了顆粒分布均勻性。

表2 相變調(diào)濕復(fù)合材料的粒度分布與均勻程度Table 2 Particle size distribution and uniformity coefficient of phase change and humidity controlling composite materials

2.2 復(fù)合乳化劑作對(duì)微觀形貌的影響

圖1為相變調(diào)濕復(fù)合材料的SEM照片。從圖1可以看出，以Span-80與Tween-80為復(fù)合乳化劑的試樣1～3，其形貌較為規(guī)則，存在一定數(shù)量的球形顆粒；隨著Span-80與Tween-80的質(zhì)量比降低，相變調(diào)濕復(fù)合材料中顆粒形貌進(jìn)一步趨向球形，粒徑尺寸減小，小粒徑顆粒數(shù)量增加，粒度分布均勻程度小幅改善。以Span-80，Tween-80與SDS為復(fù)合乳化劑的試樣4～6，對(duì)比于試樣1～3的SEM照片，其形貌基本為球形顆粒，粒徑尺寸大幅度減小，隨著SDS用量的增加，相變調(diào)濕復(fù)合材料的顆粒分布均勻性提高，這是因?yàn)镾DS的加入使相變材料乳液帶有較強(qiáng)的電荷，促使SiO2溶膠通過靜電力作用與相變材料乳液結(jié)合。

圖1相變調(diào)濕復(fù)合材料的SEM照片(a)試樣1； (b) 試樣 2； (c) 試樣 3； (d) 試樣 4； (e) 試樣 5； (f) 試樣 6Fig.1 SEM images of phase change and humidity controlling composite materials(a)sample 1；(b)sample 2；(c)sample 3；(d)sample 4；(e)sample 5；(f)sample 6

2.3 復(fù)合乳化劑作對(duì)組成結(jié)構(gòu)的影響

圖2 相變調(diào)濕復(fù)合材料的FTIR譜圖(a)SiO2；(b)相變材料；(c)試樣4；(d)試樣5；(e)試樣6Fig.2 FTIR spectra of phase change and humidity controlling composite materials(a)SiO2；(b)phase change material；(c)sample 4；(d)sample 5；(e)sample 6

2.4 復(fù)合乳化劑對(duì)性能的影響

表3為相變調(diào)濕復(fù)合材料的熱性能。從表3可以看出，對(duì)比相變材料的熱性能，以Span-80與Tween-80為復(fù)合乳化劑的試樣1～3，其相變焓為101.03～109.21J/g、相變溫度為21.96～27.67℃，并且過冷度從6.24℃小幅降至5.54～5.71℃，說明利用SiO2溶膠包裹相變材料實(shí)現(xiàn)膠囊化可促使結(jié)晶過冷度降低，有利于相變調(diào)濕復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。以Span-80，Tween-80與SDS為復(fù)合乳化劑的試樣4～6，對(duì)比于試樣1～3的熱性能，其過冷度進(jìn)一步降至3.61～4.19℃，同時(shí)相變焓增加至123.74～130.17J/g，使相變調(diào)濕復(fù)合材料中相變材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到70.34%～74.00%，這是因?yàn)镾DS的加入增加了相變材料乳液之間的排斥力，提高了相變調(diào)濕復(fù)合材料的分散性能，尤其降低了SiO2溶膠對(duì)相變材料乳液表面的包裹厚度，提高了相變調(diào)濕復(fù)合材料中相變材料的含量，增強(qiáng)了其熱性能。

表3 相變調(diào)濕復(fù)合材料的熱性能Table 3 Thermal properties of phase change and humidity controlling composite materials

表4為相變調(diào)濕復(fù)合材料的濕性能。從表4可以看出，以Span-80與Tween-80為復(fù)合乳化劑的試樣1～3，其在相對(duì)濕度為40%～60%之間的平衡含濕量為0.1126～0.1485g/g，濕容量較為穩(wěn)定，即0.0310～0.0332g/g，說明相變調(diào)濕復(fù)合材料具有良好的濕性能。以Span-80,Tween-80與SDS為復(fù)合乳化劑的試樣4～6，對(duì)比于試樣1～3的濕性能，其平衡含濕量為0.1205～0.1603g/g，濕容量較大幅度提高，即0.0361～0.0390g/g，這是因?yàn)镾DS的加入提高了相變調(diào)濕復(fù)合材料的分散性能，SiO2溶膠包裹相變材料乳液表面的厚度減小且比表面積增加，有利于提高濕性能作用的接觸面，增強(qiáng)了其濕性能。

表4 相變調(diào)濕復(fù)合材料的濕性能Table 4 Humidity properties of phase change and humidity controlling composite materials

3 結(jié)論

(1)以司盤-80、吐溫-80和十二烷基硫酸鈉為復(fù)合乳化劑制備了具有良好熱性能與濕性能的相變調(diào)濕復(fù)合材料，其相變材料含量到達(dá)70.34%～74.00%，在相對(duì)濕度為40%～60%之間的濕容量為0.0361～0.0390g/g。

(2)以司盤-80、吐溫-80和十二烷基硫酸鈉為復(fù)合乳化劑有效改善相變調(diào)濕復(fù)合材料的粒度分布與均勻程度，并且提高相變調(diào)濕復(fù)合材料的分散性。