定形脂肪酸的配制及熱性能的研究

閆全英，劉莎，張林，王隨林

（北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京市供熱供燃氣通風(fēng)及空調(diào)重點試驗室，北京 100044）

定形脂肪酸的配制及熱性能的研究

閆全英，劉莎，張林，王隨林

（北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京市供熱供燃氣通風(fēng)及空調(diào)重點試驗室，北京 100044）

配制了癸酸分別與肉豆蔻酸、月桂酸、棕櫚酸和硬脂酸混合得到的4種脂肪酸混合物以及液體石蠟與月桂酸混合而成的相變材料混合物，并以高密度聚乙烯為支撐材料，添加50%～90%的相變材料制備了定形相變材料。利用差示掃描量熱儀實驗研究了5種定形脂肪酸混合物的相變溫度、相變潛熱、均勻性與穩(wěn)定性，旨在尋找適合相變墻體儲能用的定形相變材料。結(jié)果表明：定形相變材料的相變溫度和相變潛熱與脂肪酸的組分及含量有關(guān)，定形相變材料中脂肪酸的最佳含量為70%；定形脂肪酸相變材料的均勻性和穩(wěn)定性較好，適合在相變墻體中使用。

定形相變材料；脂肪酸；相變溫度；相變潛熱

0 引言

固液相變材料在應(yīng)用時為防止液體泄漏需容器對材料進行封裝，因此增加了相變材料與傳熱介質(zhì)間的熱阻、增加了封裝成本、降低了傳熱效率。把固液相變材料與支撐材料混合可制備定形相變材料。定形相變材料中相變材料與支撐材料的配制比例對于定形相變材料在實際儲能領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。脂肪酸的優(yōu)點是相變潛熱大、相變過程中體積變化小、易與建筑材料融合、凝固時無過冷現(xiàn)象，且價格低廉，被廣泛應(yīng)用于儲能領(lǐng)域。將相變溫度合適的脂肪酸二元或多元混合物與高分子支撐材料按一定比例混合制成定形相變脂肪酸，再以適當(dāng)方式填加到墻體中，是脂肪酸在墻體儲能領(lǐng)域應(yīng)用的理想選擇。

Ahmet等[1]研究了脂肪酸類相變材料的傳熱過程，并將其應(yīng)用于太陽能儲能領(lǐng)域。Sari等[2-6]研究了定形脂肪酸及其加入添加物后材料的熱儲存性能。付路軍等[7]研究了以二氧化硅為定形材料與二元低共熔脂肪酸混合物的物理特性。張林[8]研究了脂肪酸二元混合物的儲熱性能，并制備了定形脂肪酸，研究其熱性能和力學(xué)性能。梁辰[9]將石蠟與高密度聚乙烯混合，研究了其在相變墻體中的應(yīng)用。李鳳艷等[10]采用均勻設(shè)計和優(yōu)化的方法對十水硫酸鈉相變儲能材料在使用過程中出現(xiàn)的過冷和結(jié)塊問題進行了分析研究，并得出無過冷結(jié)塊現(xiàn)象且儲熱性能好的最佳實驗配方。王慶華等[11]以高密度聚乙烯為支撐材料，實驗研究了復(fù)合相變石蠟的最佳配比，并對其在建筑空心砌塊墻體中的傳熱性能進行了測試分析。何麗紅等[12]以聚乙二醇/二氧化硅（PEG/SiO2）定形相變材料與瀝青、水泥為原料，制備出瀝青或水泥復(fù)合定形相變材料。曾令可等[13]采用十酸和十二酸作為相變材料，與二氧化硅混合制備復(fù)合相變蓄熱材料，并選取石膏板為基體制備了具有合適相變溫度和較好相變潛熱的相變儲能石膏板。蔣曉曙等[14]實驗研究了密胺樹脂的固含量、三聚氰胺-甲醛的摩爾比對石蠟-密胺樹脂微膠囊相變材料的儲熱性能、表觀形貌及包裹效率的影響。

本文選取5種脂肪酸類相變材料，通過研究其與高密度聚乙烯配制成的定形相變材料的相變溫度、相變潛熱、均勻性和穩(wěn)定性，驗證將其應(yīng)用于墻體中的可行性，為相變墻體的制備和實驗研究提供依據(jù)。

1 實驗

1．1 主要實驗儀器設(shè)備

差示掃描量熱儀（DSC）：200PC型量熱儀，德國耐馳公司；分析天平；紅外測溫儀：HT6885型；暖風(fēng)機：HP2009型；等。

DSC采用液氮進行冷卻，保護氣和吹掃氣均采用高純氮，保護氣體流速為60 ml/min，吹掃氣流速為20 ml/min。實驗過程中溫度的控制范圍為－90～150℃。采用液氮把試樣冷卻到較低溫度，然后開始升溫，觀察材料的熔化過程。升溫速率為15℃/min。

1．2 實驗材料和樣品

癸酸（CA）、硬脂酸（SA）、棕櫚酸（palmitic acid，PA）、月桂酸（LA）、肉豆蔻酸（MA）、液體石蠟（LP），北京試劑公司；高密度聚乙烯（HDPE），北京展辰化工有限公司。

實驗中按不同質(zhì)量比配制的脂肪酸相變材料混合物為：30%癸酸-70%肉豆蔻酸（CA-MA）、20%癸酸-80%月桂酸（CA-LA）、80%癸酸-20%棕櫚酸（CA-PA）、70%癸酸-30%硬脂酸（CA-SA）、60%液體石蠟-40%月桂酸（LP-LA），把5種相變材料分別按50%、60%、70%、80%、90%的質(zhì)量百分比與高密度聚乙烯混合制成25種定形相變材料試樣。試樣編號及試樣中相變脂肪酸材料的質(zhì)量百分含量如表1所示。

表1 定形相變材料試樣的編號及相變材料含量

1.3 定形相變材料的制備方法

按預(yù)先設(shè)定的質(zhì)量配比，用分析天平分別稱量各組分，放入容器中。之后置于馬弗爐中于150℃加熱1 h。待脂肪酸混合物熔化后取出，攪拌至混合均勻。在空氣中自然冷卻至凝固，制備成脂肪酸二元混合物。再分別將所制備的脂肪酸二元混合物按50%～90%的質(zhì)量比與高密度聚乙烯混合后，放入不銹鋼容器中，然后放進馬弗爐中加熱，馬弗爐設(shè)定溫度為200℃，加熱時間為1 h。當(dāng)混合物全部熔融后，取出用玻璃棒攪拌均勻，在空氣中自然冷卻降溫。之后再放入馬弗爐加熱融化，取出攪拌，冷卻。反復(fù)3次，以保證相變材料與高密度聚乙烯充分均勻混合，制成定形相變材料試樣。

2 實驗結(jié)果和分析

2．1 定形相變材料的熱性能

用差示掃描量熱儀（DSC）測試25種定形相變材料的相變溫度和相變潛熱，旨在尋找相變溫度適宜、相變潛熱較大的定形相變材料的合理配比。每種試樣均取3組試件，取算術(shù)平均值，測試結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 定形相變材料的相變溫度

圖2 定形相變材料的相變潛熱

從圖1可以看出，隨著定形相變材料中相變材料比例的增加，定形相變材料的相變溫度略有上升，在脂肪酸含量從50%增加到90%時，定形相變脂肪酸的相變溫度增加值達10%左右。

從圖2可以看出，定形相變脂肪酸的相變潛熱隨脂肪酸含量的增加近似呈線性增加。在脂肪酸含量從90%降到50%時，定形相變脂肪酸的相變潛熱減小50%左右。

2．2 定形相變脂肪酸的最佳配比

定形相變材料中脂肪酸的含量越多，材料的相變潛熱越大，蓄熱效果越好。但如果脂肪酸含量過多，高密度聚乙烯就起不到支撐封裝的作用，容易出現(xiàn)相變材料的泄露。因此，研究定形相變材料中相變材料的最佳比例尤為重要，既能保證最佳蓄熱效果，又能保證不發(fā)生泄露。

本實驗采用暖風(fēng)機對每種定形相變材料進行加熱，并用紅外射溫儀測試定形相變材料的表面溫度變化，當(dāng)表面溫度達到或超過它的相變溫度時，觀察定形相變材料的變化。實驗結(jié)果顯示：定形相變材料中脂肪酸含量為50%～70%時，當(dāng)溫度升高到相變溫度后，定形相變材料表面無液體析出，相變材料封裝效果很好；脂肪酸含量為80%時，有細微液體析出但不明顯，封裝效果較好；而當(dāng)脂肪酸含量達到90%時，已有明顯的液體滲出，相變材料封裝效果不好。不同脂肪酸含量定形相變材料受熱后的形態(tài)如圖3所示。

圖3 定形相變材料的封裝效果實驗

2．3 試樣的均勻性

取2組定形相變材料試樣，其中相變材料分別為30%癸酸-70%肉豆蔻酸和60%液體石蠟-40%月桂酸，相變材料和支撐材料的質(zhì)量比為7∶3，以保證最好的密封效果。在2個試樣的4個不同部位取少量材料，用DSC測試其相變溫度和相變潛熱。實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 定形相變材料不同部位相變溫度

圖4和圖5顯示，同一試樣在不同部位的相變溫度和相變潛熱相差很小，表明所配制的定形相變材料中脂肪酸的分布是均勻的。

圖5 定形相變材料不同部位相變潛熱

2.4 試樣的穩(wěn)定性

取以上2種試樣放在40℃電爐中加熱，然后取出在20℃環(huán)境中冷卻，進行重復(fù)吸放熱實驗，研究材料熱性能的穩(wěn)定性，分別測得10、20、30、50、100次吸放熱后相變材料的相變潛熱和相變溫度。實驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6、圖7可見，這2種定形材料的相變溫度在多次吸放熱之后基本不變，相變潛熱在多次吸放熱之后變化很小，定形相變材料的穩(wěn)定性較好。

圖6 定形相變材料多次循環(huán)后的相變溫度

圖7 定形相變材料多次循環(huán)后的相變潛熱

3 結(jié)語

（1）定形脂肪酸的相變潛熱隨脂肪酸含量近似呈線性變化，當(dāng)脂肪酸含量從90%降低到50%時，定形脂肪酸的相變潛熱減少50%左右；定形脂肪酸的相變溫度隨脂肪酸含量的增加而升高，當(dāng)脂肪酸含量從50%增加到90%時，定形脂肪酸的相變溫度升高10%左右。

（2）定形相變材料中脂肪酸含量在50%～70%時，相變材料封裝效果很好；同時考慮儲熱要求，定形脂肪酸中相變材料的最佳含量為70%。

（3）定形脂肪酸中相變材料分布均勻；在100次吸熱放熱循環(huán)后，相變溫度和相變潛熱變化小，定形脂肪酸的穩(wěn)定性好。

[1]Ahmet Sary.Thermal reliability test of some fatty acids as PCMs used for solar thermal latent heat storage applications[J].Energy Conversion and Management，2003，44：2277-2287.

[2]Sari A，Kaygusuz K.Poly（vinyl alcohol）/fatty acid blends for thermal energy storage[J].Energy Sources，Part A，2007，29（10）：873-88.

[3]Sari A，Cemil Alkan，Ugur Kolemen，et al.EudragitS（methyl methacrylate methacrylic acid copolymer）/fatty acid blends as formstable phase change material for latent heat thermal energy storage[J].Journal of Applied Polymer Science，2006，101（3）：1402-1406.

[4]Sari A，Ugur Kolemen.Preparation，characterization and thermal properties of styrene maleic anhydride copolymer（SMA）/fatty acid composites as form stable phase change materials[J].Energy Conversion and Management，2008，49（2）：373-380.

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[6]Karaipekli A，Sari A.Preparation，thermal properties and thermal reliabilityofpalmiticacid/expandedgraphitecompositeas form-stable PCM for thermal energy storage[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2009，93（5）：571-576.

[7]付路軍，董發(fā)勤，楊玉山.二元脂肪酸/SiO2復(fù)合相變儲能材料的制備與表征[J].功能材料，2013，44（4）：548-551.

[8]張林.脂肪酸混合物的配制及其定形相變墻體的實驗研究[D].北京：北京建筑工程學(xué)院，2010.

[9]梁辰.相變儲能材料的選擇配制及其在墻體中的應(yīng)用研究[D].北京：北京建筑工程學(xué)院，2009.

[10]李鳳艷，袁亞東，楊雅君，等.相變儲能材料在建筑節(jié)能材料上的應(yīng)用研究[J].新型建筑材料，2014（7）：86-91.

[11]王慶華，王榮暉，汪純鵬，復(fù)合相變石蠟空心砌塊墻體的保溫性能研究[J].新型建筑材料，2014（5）：56-59.

[12]何麗紅，李菁若，曹長斌，等.PEG/SiO2定形相變材料在瀝青及水泥環(huán)境中應(yīng)用的可行性[J].新型建筑材料，2013（8）：28-31.

[13]曾令可，王慧，程小蘇，等.相變儲能石膏板制備和性能的研究[J].新型建筑材料，2012（12）：27-29.

[14]蔣曉曙，周世界，陸雷，等.石蠟-密胺樹脂微膠囊相變材料制備與性能研究[J]，新型建筑材料，2013（5）：37-41.

Research on preparation and thermal storage property of the shape-stabilized fatty acid

YAN Quanying，LIU Sha，ZHANG Lin，WANG Suilin
（Beijing Municipality Key Lab of Heating，Gas Supply，Ventilating and Air Conditioning Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China）

In the paper，four kinds of fatty acid binary mixtures and liquid paraffin and lauric acid binary mixture were prepared.Fatty acid binary mixtures were made of capric acid and myristic acid，lauric acid，palmitic acid and stearic acid.Highdensity polyethylene was used as supporting material with 50%～90%phase change materials to prepare the shape-stabilized phase change materials.The phase change temperatures，the phase change latent heats，the uniformity and stability of the 5 kinds of shape-stabilized phase change materials were studied experimentally by using differential scanning calorimeter（DSC），the aim was to find suitable phase change materials for phase change wall energy storage.The results showed that the phase change temperatures and the phase change latent heats were related to the components and contents of fatty acids.The optimum content of fatty acid in the shape-stabilized phase change material was 70%.The homogeneity and stability of the shape-stabilized fatty acid phase change materials were better，and they are suitable for use in phase change wall.

shape-stabilized phase change material，fatty acid，phase change temperature，phase change latent heat

TU53；TK02

A

1001-702X（2016）12-0087-04

北京市自然科學(xué)基金資助項目（3122012）；

北京市教委科技創(chuàng)新能力提升計劃項目

（PXM2016_014210_000016）

2016-05-05；

2016-06-06

閆全英，女，1970年生，河北宣化人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事相變材料儲能的研究。