复合定型相变储能保温材料月桂酸—膨胀珍珠岩试验研究

刘杰胜，木子佳靓，张 娟，杨厚林，冯 彪，江 凯，李 祥，刘辉凯，文君豪

(武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

随着全球能源日益短缺和节能观念的普及，相变储能技术越来越成为国内外研究的热点［1］。利用相变材料在相变过程中的吸热和放热特性可进行热能储存和温度调节控制，从而达到节能减排的目的［2］。目前常用的相变储能材料主要包括无机物和有机物两大类。相对于无机相变材料，有机相变材料具有腐蚀性小、化学性能稳定、在相变过程中几乎没有相分离、价格便宜等优点。但有机相变材料在固—液相变中出现液体渗漏等问题，制约了有机相变材料的应用［3］。研究表明:采用制备定形相变材料能有效解决有机相变材料渗漏问题［4］。笔者利用膨胀珍珠岩、月桂酸等物质制备得到一种复合定形相变储能材料，并对其性能及微相结构进行了表征。

1 试验部分

1.1 原材料

相变材料:月桂酸，化学纯，上海国药集团化学试剂有限公司。载体材料:膨胀珍珠岩，信阳市平桥区恒通矿产品材料厂，其化学性质如表1所示。

表1 膨胀珍珠岩组成 /%

1.2 制备

将载体材料膨胀珍珠岩和相变材料月桂酸在恒温水浴锅中共同加热到60℃，边加热边搅拌，恒温20 min，将月桂酸和膨胀珍珠岩共同倒人密闭釜中，开动真空水泵。真空吸附一段时间以后关闭真空泵，重复以上操作若干次，则可制得相变膨胀珍珠岩。

1.3 测试与表征

1.3.1 差热分析

采用美国PE公司的Diamond TG/DTA 6000热重/差热综合分析仪，温度范围－13—100℃，采用氮气气氛，升温速率5℃/min。

1.3.2 相变膨胀珍珠岩的月桂酸渗出性研究

测试相变膨胀珍珠岩在80℃下热处理2 h后月桂酸在滤纸上的渗出比率。

1.3.3 扫描电镜SEM

扫描电镜为JEOL(日本电子)公司生产的JSM-5610LV型号扫描电子显微镜，其分辨率为3 nm，加速电压为0.5—30 kV。

2 结果与讨论

2.1 热重/差热分析

膨胀珍珠岩是轻质微孔材料，微孔大小不一，微孔结构是相变材料的理想载体。图1为月桂酸融化过程的DTA曲线。通过分析，月桂酸的相变初始温度为44.01℃，相变结束温度为46.60℃，测试样品质量为5.12 mg，在44.01—46.60 ℃ 之间有一个明显较大的吸热峰，相变温度范围为2.59℃。图2为复合相变材料融化过程的DTA曲线。该复合相变材料初始温度为44.61℃，相变结束温度为46.60 ℃，测试样品质量在5.9mg，在44.61—46.60℃之间有一个明显的较大的吸热峰，相变温度范围为1.99 ℃。

分析对比表明，相变材料被活性吸附后其相变初始温度和相变范围几乎保持不变，其热性能基本不受影响。表明膨胀珍珠岩可作为月桂酸的载体进行储热。

图1 月桂酸的DTA曲线

图2 月桂酸—膨胀珍珠岩复合相变材料DTA曲线

2.2 渗出性

试验结果表明，膨胀珍珠岩对月桂酸有较好的吸附能力，但是在高掺量的情况下，月桂酸易渗出。从表2可知，当月桂酸达到45%时，有细微渗出，随着掺量的不断增大，渗出率增大。为保证使用效果和经济性，建议在建筑中使用的月桂酸和膨胀珍珠岩构成的定型相变材料时，月桂酸的掺入量不宜超过30%。

表2 渗出性试验结果

2.3 SEM

图3所示为膨胀珍珠岩SEM图。从图3中可知，膨胀珍珠岩呈现出半球型明显的圆弧裂开，由于表面热力学性质改变产生的变形使其呈鳞片状多孔结构，片层间有许多蜂窝状的微细孔隙，大部分孔径为几纳米到几百纳米之间。图4所示为吸附月桂酸的膨胀珍珠岩SEM照片。可以看出，膨胀珍珠岩孔中吸附有机羧酸后，孔结构依然保持鳞片状，且片层之间有明显粘联状况，但孔隙内吸附了一定量月桂酸。这说明复合定型相变材料中的月桂酸与膨胀珍珠岩有较好的相容性。

图3 膨胀珍珠岩SEM图

图4 月桂酸—膨胀珍珠岩复合相变材料SEM图

膨胀珍珠岩具有很强的吸附性能主要是由其特殊的吸附表面结构特性和表面化学特性所决定的。这里的吸附可分为物理吸附和化学吸附。膨胀珍珠岩表面含有大量的羟基、羧基、脂肪烃基等活性官能团，这些活性位点与相变材料月桂酸结构中的官能团易形成氢键等化学键，形成化学吸附［5］。

此外，膨胀珍珠岩具有较大的比表面积和微孔结构，其界面的相互作用较强，能将月桂酸和膨胀珍珠岩充分地结合起来。同时，由范德华力对相变材料分子产生的物理吸附作用也占很大比例［6-7］。

3 结论

月桂酸与膨胀珍珠岩有很好的相容性，因此由月桂酸—膨胀珍珠岩构成的相变材料很稳定，当相变材料中月桂酸含量不超过30%时，月桂酸几乎不会渗透出来，被活性吸附后其相变初始温度和相变范围几乎保持不变，其热性能基本不受影响。说明膨胀珍珠岩可作为月桂酸的载体进行储热。

［1］唐志伟，赵化涛，陈志峰.硬脂酸与Na2HPO4·12H2O混合相变材料储能性能［J］.北京工业大学学报，2009，35(6):809-814.

［2］马烽，李艳，程立媛，等.十八烷-棕榈酸/膨胀石墨相变储能材料的制备与性能［J］.航空材料学报，2010，30(3):66-69.

［3］蒋达华，任如山，石发恩，等.月桂酸/活性炭复合相变储能材料的试验研究［J］.广州化工，2010，38(5):127-128.

［4］尚建丽，李乔明，王争军.相变储能材料的制备与研究［J］.化工新型材料，2010，38(6):92-94.

［5］尚建丽，赵鹏，刘加平.膨胀珍珠岩/有机羧酸复合相变储能材料试验研究［J］.西安建筑科技大学学报，2007，39(5):680-683.

［6］陈美祝，郑少平，吴少鹏，等.月桂酸/有机蒙脱土复合相变材料实验研究［J］.武汉理工大学学报，2010，32(18):4-7

［7］尚建丽，李乔明，王争军，等.X相变储能材料的制备与研究［J］.化工新型材料，2010，38(6):92-94.