趙維

（天津中德應用技術大學，天津 300350）

0 引言

隨著人們對室內(nèi)環(huán)境要求的不斷提高，使得室內(nèi)溫濕度調(diào)控顯得尤為重要。在建筑領域，住宅建筑與商業(yè)建筑的能耗不斷上升[1]，而建筑材料的比熱容一般較小，室內(nèi)溫度會隨環(huán)境溫度波動而發(fā)生明顯變化[2]?？赏ㄟ^相變材料在較高溫度下吸收熱能，在較低溫度下釋放熱能，從而達到對室內(nèi)溫度的調(diào)控。但傳統(tǒng)的相變材料在固液相變過程中存在泄漏現(xiàn)象，在實際應用中受到一定限制[3]。微膠囊化技術很好地解決了相變材料的泄漏問題，并增加了換熱面積[4]。硅藻土具有高孔隙率、質(zhì)量輕、比表面積大的優(yōu)點，是良好的吸濕材料[5]。硅藻土與相變微膠囊混合制備復合材料，具有良好的蓄熱、調(diào)濕性能[6]。本研究制備一種相變微膠囊/硅藻土蓄熱板材，研究該板材的蓄熱性能。

1 實驗

1.1 實驗材料

相變微膠囊：以三聚氰胺脲醛樹脂為殼體、正十八烷為相變材料制得的相變蓄能材料，上海儒熵新能源科技有限公司。硅藻土：國藥集團化學試劑有限公司。苯丙乳液：作為粘結劑，河南漯河大凡化工。玻璃纖維：增強板材強度，河北廊坊欣碩。

1.2 儀器設備

電子天平：上海佑科儀器儀表有限公司。熱電偶：T型，直徑0.5mm，測溫范圍-30～100℃，上海合柔電線電纜有限公司。差示掃描量熱儀，DSC2910型。Nova nano 450場發(fā)射電子顯微鏡，美國FEI公司。導熱儀：DZDR-S型，南京大展檢測儀器有限公司。數(shù)據(jù)采集儀：安捷倫34972a，安捷倫科技公司。

1.3 相變微膠囊/硅藻土復合材料的制備

將正十八烷相變微膠囊干粉在30℃真空干燥箱內(nèi)放置6 h，硅藻土在真空干燥箱100℃環(huán)境下烘干12 h。正十八烷相變微膠囊干粉與硅藻土以7∶3的質(zhì)量比充分混合干燥后在室溫下攪拌均勻。將混合好的相變復合材料放入30℃真空干燥箱中干燥48 h，制得相變微膠囊/硅藻土復合材料（以下簡稱相變復合材料）。

1.4 相變板材的制備

采用苯丙乳液作為粘結劑，將相變復合材料、苯丙乳液、玻璃纖維按80∶18∶2的質(zhì)量比加入攪拌機中，由于硅藻土較強的吸水性，向攪拌機中加入與相變材料等質(zhì)量的水，充分混合后平鋪在預先準備好的模具中，在10 kPa壓力下壓制成板材，拆卸模具后，放置在室溫下待其自然干燥，制備170 mm×170 mm×10 mm的相變微膠囊/硅藻土蓄熱板材（以下簡稱蓄熱板材）。同時制得相同尺寸的硅藻土板材用于對照試驗。

1.5 性能測試與表征

1.5.1 微觀分析

采用差示掃描量熱儀（DSC）對正十八烷相變微膠囊、相變復合材料的相變溫度與相變潛熱進行測試，升、降溫速率為10℃/min。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察相變復合材料微觀結構和形貌。用傅里葉紅外線光譜儀對硅藻土、相變微膠囊、相變復合材料進行FTIR測試，分析是否發(fā)生化學反應以及是否生成新物質(zhì)。

1.5.2 導熱系數(shù)測試

采用導熱儀測試蓄熱板材與硅藻土板材的導熱系數(shù)，分析二者的導熱性能，每組3個試樣，結果取平均值。

1.5.3 蓄熱板材的蓄熱性能實驗

對蓄熱板材與硅藻土板材進行蓄放熱實驗，對2塊板材進行對比分析。蓄熱板材的蓄熱性能測試系統(tǒng)由測試裝置、恒溫水浴、熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀組成（見圖1）。使用聚苯板對蓄熱板材進行固定，將銅管放在相變板材內(nèi)側(cè)，連通恒溫水浴控制恒定溫度。采用九點法將熱電偶均勻布置在板材外側(cè)，使用保溫棉將測試裝置包裹，減少與外界空氣的熱交換。將熱電偶與數(shù)據(jù)采集儀相連接，通過電腦實時測試并記錄數(shù)據(jù)。具體步驟如下：

（1）開啟數(shù)據(jù)采集儀，并啟動恒溫水浴，將恒溫水浴水溫設置在15℃，當水溫達到15℃時，開啟水浴循環(huán)，待電腦端顯示板材外側(cè)的熱電偶溫度降至15℃時開始測試。

（2）將水浴溫度設置為40℃，在水浴循環(huán)中熱量由銅管進入板材，板材開始蓄熱。當板材外側(cè)熱電偶的溫度達到40℃時板材蓄熱完成。

（3）再次把恒溫水浴的溫度設置為15℃，當板材外側(cè)熱電偶溫度達到15℃時板材放熱完成。

（4）分析蓄熱板材與硅藻土板材的蓄放熱性能。

2 結果與分析

2.1 相變材料DSC測試與分析

圖2、圖3分別為相變微膠囊與相變復合材料的DSC曲線。

由圖2可見，相變微膠囊的熔化潛熱、凝固潛熱分別為187.76、181.94 J/g，熔化溫度、凝固溫度分別為25.66、23.83℃。由圖3可見，相變復合材料的熔化潛熱、凝固潛熱分別為59.51、56.51 J/g，熔化溫度、凝固溫度分別為25.64、24.04℃。由于硅藻土沒有相變蓄熱能力，與單純的正十八烷相變微膠囊相比，相變復合材料的熔化潛熱會有下降，但仍然具有調(diào)節(jié)室溫的能力，而且復合材料的熔化溫度在舒適溫度范圍內(nèi)。

2.2 相變材料的SEM測試與分析（見圖4、圖5）

由圖4可見，硅藻土殼體呈圓盤狀，微孔密集、堆密度小且比表面積大，能夠吸附細微顆粒。由圖5可見，正十八烷相變微膠囊呈無規(guī)則的橢圓球形，三聚氰胺脲醛樹脂外殼很好地將相變微膠囊包裹起來，當相變材料達到相變溫度后，外殼防止液態(tài)相變材料泄露。硅藻土與相變材料的混合使質(zhì)地更加稠密，可作為保溫材料用于建筑領域。

2.3 FTIR分析

圖6為硅藻土、相變微膠囊、相變復合材料的紅外光譜。

由圖6可見，正十八烷相變微膠囊在2930.13、2856.48、1564.21、1465.85、725.21 cm-1處有明顯吸收峰，硅藻土在1091.67、788.86、474.47 cm-1處有明顯吸收峰，其中788.86、474.47 cm-1處較強的吸收峰是由于Si—O鍵振動導致的，1091.67 cm-1處強的吸收峰是由于Si—O非對稱伸縮導致的。對比3種材料的吸收峰可以發(fā)現(xiàn)，硅藻土中的特征峰與相變微膠囊的特征峰在相變復合材料曲線中均有出現(xiàn)，并沒有新的物質(zhì)吸收峰，可以看出硅藻土與相變微膠囊并未發(fā)生化學反應，兩者復合只是單一的物理作用。

2.4 蓄熱板材的導熱系數(shù)

對于相變板材來說，導熱系數(shù)不僅會影響熱量傳遞速率，還會影響其蓄放熱的周期。在室溫下測得硅藻土板材導熱系數(shù)為0.219 W/（m·K），蓄熱板材導熱系數(shù)為0.250 W/（m·K）。蓄熱板材的導熱系數(shù)較硅藻土板材稍有增大。

2.5 蓄熱板材的蓄放熱性能（見圖7）

由圖7（a）可見，從溫度達到24℃左右時開始，蓄熱板材的溫度變化逐漸減緩，曲線斜率不斷減小，在28℃左右時溫度變化又逐漸增大，說明在這段時間內(nèi)相變材料發(fā)生了相變，吸收潛熱。同時可以看出，硅藻土板材45 min就能達到40℃，而蓄熱板材需要73 min左右才能達到設定溫度。由圖7（b）可見，蓄熱板材溫度變化具有滯后性，降到特定溫度的時間是硅藻土板材所需時間的2.8倍左右。蓄熱板材可以有效地延遲升溫和降溫過程。

3 結論

（1）通過微觀形貌與紅外光譜分析可知，相變微膠囊/硅藻土復合材料質(zhì)地密實，制備過程無化學反應。

（2）復合相變材料的熔化與凝固溫度分別為25.64、24.04℃，熔化潛熱與凝固潛熱分別為59.51、56.97 J/g，可以作為建筑材料使用，用于調(diào)控室內(nèi)溫度。

（3）對相變微膠囊/硅藻土蓄熱板材進行蓄放熱實驗，發(fā)現(xiàn)蓄熱板材具有良好的蓄熱能力，可以有效地延遲升溫和降溫過程。