魏婷，許芳芳，葉志林，鄭柏存

（華東理工大學(xué) 體育新材料研發(fā)中心，上?！?00237）

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十八烷微膠囊/石膏板復(fù)合相變材料的性能研究

魏婷，許芳芳，葉志林，鄭柏存

（華東理工大學(xué) 體育新材料研發(fā)中心，上海200237）

摘要：表征了幾種相變石膏板的力學(xué)性能和儲(chǔ)能性能。結(jié)果表明：當(dāng)十八烷微膠囊含量在0～13.6%時(shí)，相變石膏板的力學(xué)性能均能符合GB/T 9776—2008要求；當(dāng)十八烷微膠囊含量為13.6%時(shí)，相變石膏板的抗折強(qiáng)度為3.3MPa、抗壓強(qiáng)度為3.6MPa、熔融溫度為26.9℃、熔融焓為10.41 J/g、標(biāo)準(zhǔn)溫度阻尼率為0.91，并且耐久性能良好。

關(guān)鍵詞：十八烷微膠囊；相變石膏板；熱性能；力學(xué)性能

0　前言

20世紀(jì)70年代末以來(lái)，我國(guó)建筑能耗總量在能源消耗總量中所占的比例從10%上升到27.6%［1］，這個(gè)比例還在繼續(xù)增長(zhǎng)，在全球能源危機(jī)的大背景下，注重建筑節(jié)能具有緊迫性和戰(zhàn)略性。近年來(lái)，科學(xué)工作者將相變儲(chǔ)能材料（PCM）與傳統(tǒng)建筑材料復(fù)合，制成環(huán)保型相變儲(chǔ)能建筑材料（phase change building materials，PCBM），將能量以相變潛熱的形式進(jìn)行貯存，實(shí)現(xiàn)能量在不同時(shí)間、空間位置之間的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到減少室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度，節(jié)省制冷和采暖費(fèi)用的作用［2-8］。2014年7月發(fā)改委發(fā)布的《國(guó)家重點(diǎn)推廣的低碳技術(shù)目錄》提倡多能源互補(bǔ)的分布式能源技術(shù)，建議使用相變儲(chǔ)能材料。同年11月，國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部、工信部聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案》中更是明確指出將相變石膏板列入國(guó)家關(guān)鍵升級(jí)換代產(chǎn)品。因此，本研究討論適合人體熱舒適性的十八烷微膠囊/石膏板復(fù)合相變材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文采用共混法制備含有十八烷微膠囊的相變石膏板，討論了十八烷微膠囊對(duì)相變石膏板力學(xué)性能和儲(chǔ)熱性能的影響規(guī)律，同時(shí)還研究了相變石膏板的熔融結(jié)晶曲線特征和耐久性。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原料

十八烷相變微膠囊，實(shí)驗(yàn)室自制，平均粒徑0.2μm，相變溫度27.5℃，相變焓109.0 J/g；半水石膏：上海埃比建筑材料有限公司。

1.2相變石膏板的制備

將十八烷微膠囊與半水石膏用水混合均勻，迅速倒入160mm×40mm×13mm模具中，十八烷微膠囊含量分別為0、5.3%、7.5%、11.1%、13.6%和17.7%（以半水石膏質(zhì)量為基準(zhǔn)）。2 h后拆模，并將相變石膏板置于烘箱干燥至恒重。

1.3相變石膏板的性能測(cè)試與表征

力學(xué)性能表征：參照GB/T9776—2008《建筑石膏》，在壓力試驗(yàn)機(jī)（YAW-300C）上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣塊進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)樣品平行3次。

DSC表征：取5～10 mg相變石膏于差示掃描量熱儀（DSC-8000，德國(guó)PerkinElmer公司）中測(cè)試相變溫度和相變焓，測(cè)試條件：氮?dú)夥?，溫度范圍?20～60℃，升溫速率為10℃/min。

儲(chǔ)/放熱性能測(cè)試：將熱電偶置于石膏板內(nèi)，石膏板在40℃的烘箱內(nèi)保持恒溫，然后迅速取出置于5℃冷環(huán)境中，每間隔20s采集1次溫度數(shù)據(jù)，記錄溫度-時(shí)間曲線。當(dāng)石膏板溫度穩(wěn)定于5℃后，再將其迅速取出放入40℃的烘箱，記錄升溫過(guò)程中的溫度-時(shí)間曲線。

冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)：采用上述儲(chǔ)/放熱實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行300次循環(huán)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試相變石膏板的耐久性。

2　結(jié)果與分析

2.1微膠囊含量對(duì)相變石膏板力學(xué)性能的影響（見(jiàn)圖1）

從圖1可以看出，隨著相變微膠囊的加入，相變石膏板強(qiáng)度逐漸降低，其中抗壓強(qiáng)度呈線性下降，相關(guān)線性方程為y= 8.55-0.359x，相關(guān)系數(shù)為0.9968?？拐蹚?qiáng)度也隨著微膠囊含量的增加而降低，當(dāng)微膠囊含量從5.3%增加到13.6%時(shí)，抗折強(qiáng)度在3.3～3.7MPa間浮動(dòng)，繼續(xù)增加微膠囊含量至17.7%，相變石膏板的抗折強(qiáng)度下降明顯，但仍符合GB/T 9776—2008 中1.6等級(jí)要求。增加微膠囊含量導(dǎo)致石膏板強(qiáng)度下降的原因在于，石膏板中起膠凝作用的石膏體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。

2.2相變石膏板的DSC表征（見(jiàn)圖2）

從圖2可以看出，不同微膠囊含量的相變石膏板均具有儲(chǔ)放熱功能，熔融過(guò)程中曲線顯示為單峰，此時(shí)熔融溫度為（26.6±0.5）℃，熔融焓隨微膠囊含量的增大而線性增加，當(dāng)微膠囊含量為13.6%時(shí)，熔融焓達(dá)到10.41 J/g。結(jié)晶曲線顯示為雙峰，且隨著微膠囊含量的增大相變石膏板焓值和其β峰結(jié)晶溫度都逐漸增加，其中β峰結(jié)晶溫度分別為14.1、15.3、 16.8和17.1℃，α結(jié)晶峰溫度值基本不變，為（21.5±0.7）℃，結(jié)晶焓值分別為2.52、5.07、6.70和9.71 J/g。參照我國(guó)民用建筑舒適性溫度為16～26℃，顯然此相變石膏板溫度合適。若相變石膏板密度為968 kg/m3，則微膠囊含量為13.6%時(shí)，1m×1 m×0.013m的相變石膏板能提供約130kJ的熱量。

2.3相變石膏板儲(chǔ)放熱性能

選用微膠囊含量為13.6%的相變石膏板進(jìn)行儲(chǔ)放熱性能研究，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2　相變石膏板的DSC曲線

圖3　相變石膏板和普通石膏板的儲(chǔ)放熱曲線

從圖3（a）升溫曲線可以看出，當(dāng)石膏板溫度低于23℃時(shí)，2種石膏板升溫速率相同，當(dāng)溫度達(dá)到26～30℃時(shí)，相變石膏板與普通石膏板相比出現(xiàn)明顯的溫度滯后現(xiàn)象，此時(shí)相變材料在石膏板內(nèi)發(fā)生固液相轉(zhuǎn)變，當(dāng)相變過(guò)程完全結(jié)束后，2種石膏板最終都與環(huán)境溫度達(dá)到平衡。放熱過(guò)程與儲(chǔ)熱過(guò)程相反。從圖3（b）放熱曲線可以看出，從30℃開(kāi)始相變石膏板的降溫速率明顯降低，整個(gè)降溫過(guò)程中最大溫差可以達(dá)到5.4℃。

相變石膏板的這種儲(chǔ)放熱性能使石膏板具有一定的節(jié)能效果，艾明星和曹力強(qiáng)［9］提出，使用標(biāo)準(zhǔn)溫度阻尼率r分析節(jié)能系統(tǒng)內(nèi)舒適溫度的持續(xù)時(shí)間與節(jié)能量之間的關(guān)系。式中：τ1—相變石膏板從25℃降到16℃所需的時(shí)間，min；

τ2—普通石膏板從25℃降到16℃所需的時(shí)間，min。

表1顯示若使用相變石膏板室內(nèi)熱舒適性持續(xù)時(shí)間增加近1倍，進(jìn)而降低空調(diào)的使用時(shí)間以達(dá)到節(jié)能的目的。

表1　標(biāo)準(zhǔn)溫度阻尼率

2.4相變石膏板的耐久性

石膏板耐久性能是判斷其實(shí)際使用價(jià)值的重要指標(biāo)之一，因此這里對(duì)相變石膏板進(jìn)行了冷熱循環(huán)試驗(yàn)。循環(huán)300次后相變石膏板外觀完整，表面光潔無(wú)油漬，它的儲(chǔ)熱性能用DSC曲線表征（見(jiàn)圖4）。

圖4　300次冷熱循環(huán)后相變石膏板的DSC曲線

從圖4可以看出，十八烷微膠囊含量為13.6%時(shí)，經(jīng)300次冷熱循環(huán)后，相變石膏板的儲(chǔ)放熱曲線沒(méi)有明顯變化，熔融溫度溫度為26.9℃，熔融焓為9.82 J/g，結(jié)晶溫度為22.2℃，結(jié)晶焓為9.21J/g。這些數(shù)據(jù)與循環(huán)之前的數(shù)據(jù)相差不大，說(shuō)明此相變石膏板耐久性能良好。

3　結(jié)論

（1）隨著相變微膠囊含量的增加，相變石膏板的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均下降，當(dāng)微膠囊含量增加到13.6%時(shí)，仍然符合GB/T9776—2008中1.6等級(jí)的要求。

（2）DSC曲線顯示所有相變石膏板均具有儲(chǔ)放熱功能，其熔融溫度為（26.6±0.5）℃，熔融焓隨微膠囊含量的增大而線性增加。結(jié)晶曲線顯示雙峰，結(jié)晶焓也隨著微膠囊含量的增大而增加。

（3）當(dāng)微膠囊含量為13.6%時(shí)，相變石膏板與普通石膏板的最大溫差能達(dá)到5.4℃，標(biāo)準(zhǔn)溫度阻尼率為0.91，并且表現(xiàn)良好的耐久性能。

參考文獻(xiàn)：

［1］黃新宇.建筑節(jié)能施工技術(shù)探究［J］.廣東科技，2013（6）：179-180.

［2］Tyagi V V，Buddhi D．PCM thermal storage in buildings：a state of art［J］．Renew．Sust．Energy Rev.，2007（11）：1146-1166.

［3］ Arid M M，Khudhair A M，Razack S，et al．A reviewon phase changeenergystorage：materialsandapplications［J］．Energy Convers．Manage．，2004，45：1597-1615.

［4］Yagi J，Aldyama T．Storage of thermal energy for effective use of waste heat from industries［J］．J．Mater．Processing Tecnol.，1995，45：793-804.

［5］郭恒，鄭潔，錢杰，等.我國(guó)建筑節(jié)能現(xiàn)狀及其應(yīng)對(duì)措施［J］.技術(shù)交流，2008，122（29）：59-61.

［6］侯春光.相變材料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用綜述［J］.硅谷，2008（3）：60-61.

［7］ Suppes GJ．Goff MJ．Lopes S．Latent Heat Characteristics of FattyAcidDerivativesPursuantPhaseChangeMaterial Applications［J］．Chemical Engineering Science，2003，58：1751-1763.

［8］He B，Martin V，Setterwall F．Phase Transition Temperature Ranges and Storage Density of Paraffin Wax Phase Change Materials［J］．Energy，2004，24：1785-1804.

［9］艾明星，曹力強(qiáng).相變蓄能建筑材料的節(jié)能評(píng)價(jià)研究［J］.建筑節(jié)能，2008，36（4）：40-44.

中圖分類號(hào)：TU111.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）05-0095-03

收稿日期：2015-11-12

作者簡(jiǎn)介：魏婷，女，1982年生，湖北鐘祥人，助理研究員，主要從事相變節(jié)能材料的制備、表征與應(yīng)用。

Performances study on the phase change plasterboards with octadecane microcapsules

WEI Ting，XU Fangfang，YE Zhilin，ZHENG Baicun
（Research&Development Center for Sports Materials，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

Abstract：Several properties of the phase change plasterboards were tested in this study.The results show that when the octadecane microcapsule content is 0～13.6%，all the phase change plasterboards can meet the national standard GB/T 9776—2008. Whenthe microcapsules content is 13.6%，the properties of the plasterboards showthe flexural strengthwith3.3 MPa，the compressive strength with 3.6 MPa，the melting temperature with 26.9℃，the melting enthalpy with 10.41 J/g，and the standard temperature damping rate with 0.91.The durability is good.

Key words：octadecane microcapsules，phase change plasterboard，thermal performance，mechanical properties