劉志博于 超程宏達(dá)朱超群丁 銳

（1吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院本科生，長春 130118 2：吉林建筑大學(xué)，長春 130118）

一種新型相變“合金”材料制備及性能研究

劉志博1于 超1程宏達(dá)1朱超群1丁 銳2

（1吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院本科生，長春 130118 2：吉林建筑大學(xué)，長春 130118）

本文制備了一種脂肪酸二元體系相變儲能材料，并采用無機(jī)多孔材料進(jìn)行吸附，制備了一種宏觀上為固-固相變的合金相變體系。并通過DSC, SEM, TG等方法測試了混合體系在融化和凝固過程中的熱特性。二元相變體系的相變溫度為21.31℃、焓變值153.17J/g，復(fù)合相變體系的相變溫度為23.6℃、焓變值172.68J/g，相變潛熱較高，相變溫度較低。

相變材料 熱能儲存 硅藻土

1. 引言

相變材料(Phase change materials)定義為：在相轉(zhuǎn)變過程中，與外在環(huán)境進(jìn)行熱量交換，放出或吸收熱量，進(jìn)而達(dá)到能量的儲存和釋放的目的，由于其成本低廉、儲熱熱效率高，因此成為了未來節(jié)能材料發(fā)展的主要方向[1,2]。多孔基體復(fù)合相變儲能材料是采用無機(jī)多孔材料作為吸附載體，如活性炭、硅藻土等，在高真空度下，將相變材料吸附到多孔材料的孔隙當(dāng)中。由于多孔材料的比較面積較高，因此可吸附較多的相變材料，儲熱密度較大，此外，在相變過程中，由于毛細(xì)管張力的作用，液態(tài)的相變材料不能從孔隙當(dāng)中溢出，使相變材料在宏觀上失去流動性，表現(xiàn)為固-固相變。該類PCM不需容器盛裝，增加了傳熱面積和傳熱效率，可根據(jù)需要制成各種形狀或復(fù)合到其他材料中。

2. 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)原材料：C12H24O2月桂酸；CH3(CH2)8CO(OH) 癸酸；提純硅藻土。

實(shí)驗(yàn)手段：TG、DSC、SEM。

通過差示掃描量熱法對原材料的相變溫度進(jìn)行測試。測試結(jié)果如下：

月桂酸的相變溫度為47℃；癸酸的相變溫度為31℃。二者的相變溫度較低，接近環(huán)境溫度，此外儲熱能力較大，相變焓較高，可用于建筑節(jié)能領(lǐng)域。但是，月桂酸及癸酸的相變溫度都高于居住適宜溫度（18-22℃），因此，根據(jù)低共熔點(diǎn)原理，將這二種物質(zhì)按照一定的比例混合，使其達(dá)到預(yù)計(jì)的相變溫度區(qū)間，按照施羅德(Schroder)公式[3,4]計(jì)算可得到癸酸與月桂酸混合形成低共熔物時(shí)的混合比及相應(yīng)的相變溫度。最后確定的主儲能物質(zhì)（月桂酸：癸酸）的質(zhì)量比為30%：70%。

本文所采用的硅藻土為臨江市生產(chǎn)的提純土，其詳細(xì)化學(xué)成分見表2-1,

表2 -1 硅藻土化學(xué)成分分析

硅藻土提純方法，1%稀鹽酸酸洗3次，后經(jīng)蒸餾水洗后，PH值成中性。提純后，硅藻土的有機(jī)物基本溶出，擴(kuò)孔明顯，增加了硅藻土的比表面積。

將提純后的硅藻土放入三口燒瓶中，采用采用真空吸附的方法制備復(fù)合相變材料，實(shí)驗(yàn)裝置見圖2-1。具體步驟為：將預(yù)先放置好硅藻土的三口燒瓶放入恒溫水浴中，水浴溫度恒定70℃，在真空狀態(tài)下相變材料（月桂酸：癸酸 30%：70%）通過滴管緩慢滴入，流速控制在5ml/min，通過攪拌使其與硅藻土充分復(fù)合，通過試驗(yàn)確定硅藻土與PCM最佳的質(zhì)量比為1.75：1。

3. 結(jié)果及討論

圖3 -1月桂酸：癸酸 3：7 DSC曲線

圖2-1 試驗(yàn)裝置圖

由圖3-1可知，二元相變儲能材料的的相變溫度為21.3℃，熔點(diǎn)溫度為11.97℃，相變焓153.17J/g，相變溫度基本滿足建筑使用條件，此外儲熱能力較大大，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。此外在測試過程中，DSC平緩，沒有亞穩(wěn)態(tài)存在。圖3-2為硅藻土吸附后相變儲能體系的DSC曲線，由圖可知，復(fù)合體系的熱力學(xué)特征與二元 PCM相近，相變溫度有增高的趨勢（21.3℃-23.6℃），這是由于硅藻土作為無機(jī)材料，導(dǎo)熱系數(shù)較低，在相變過程中存在熱傳導(dǎo)時(shí)間差及降低了復(fù)合體系的導(dǎo)熱系數(shù)所造成的。圖3-3為復(fù)合相變體系的TG分析曲線，從圖中可知，復(fù)合相變體系在使用溫度區(qū)間內(nèi)沒有質(zhì)量損失，復(fù)合體系具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)因溫度而造成的泄漏現(xiàn)象。只有超過組元沸點(diǎn)（197℃）后才開始蒸發(fā)，直到262.6℃二元相變材料完全蒸發(fā)，失重率為56%。

圖3 -2 硅藻土吸附PCM DSC曲線

圖3-3硅藻土吸附TG表征圖

圖3 -4 硅藻土掃描電鏡圖片

圖3 -5 硅藻土吸附 PCM電鏡圖片

圖3-4為硅藻土的SEM圖片，由圖可知，硅藻土具有較好的孔隙結(jié)構(gòu)，可以作為一種良好的多孔吸附材料使用。圖3-5為硅藻土吸附相變材料后的SEM圖片，從圖中可以看出，吸附后，硅藻土的孔結(jié)構(gòu)完全被二元相變材料填充，已經(jīng)復(fù)合成一個(gè)整體，這是由于硅藻土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)為納米孔及微米孔復(fù)合的介孔結(jié)構(gòu)，比表面積較大，吸附二元相變材料后，孔隙結(jié)構(gòu)的表面張力較高。

4. 結(jié)論

（1）二元相變儲能材料（月桂酸和癸酸30%：70%），相變混合體系的相變溫度較低21.3℃，相變焓153.7J/g，熱力學(xué)性能穩(wěn)定，適合用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能材料。

（2）物理方法吸附將相變儲能材料復(fù)合到硅藻土多孔基體材料中，制得定型復(fù)合相邊體系，通過DSC，TG，SEM的測試分析，表明相變蓄能材料在多孔基體材料中的蓄熱能力得到提高，發(fā)生相變時(shí)熱性能穩(wěn)定，相變材料與多孔基體材料能很好的結(jié)合。

[1]張 東,周劍敏,吳科如,李宗津. 顆粒型相變儲能復(fù)合材料[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2004（05）∶ 103-109.

[2]王岐東,張學(xué)義,康惠寶. 復(fù)合相變儲能材料的選擇[J].北京輕工業(yè)學(xué)報(bào),1997,15(1):61-65.

[3]吉岡甲子狼,獲野一善.物理化學(xué)計(jì)算[M].河南:河南科學(xué)技術(shù)出版社,1981.

[4]張東,田勝力,肖德炎,周劍敏.相變儲能材料技術(shù)及其在建筑節(jié)能中的應(yīng)用[J].建筑新技術(shù)研討會論文集,2005（1）:27-40.

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1007-6344（2015）12-0045-01

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