微胶囊相变砂浆制备及性能研究

陈　伟，　朱才岳

(1.浙江大学宁波理工学院 土木建筑工程学院， 浙江 宁波　315100；

2.宁波蛟川构件有限公司, 浙江 宁波　315221)



微胶囊相变砂浆制备及性能研究

陈伟1，朱才岳2

(1.浙江大学宁波理工学院 土木建筑工程学院， 浙江 宁波315100；

2.宁波蛟川构件有限公司, 浙江 宁波315221)

摘要：将微胶囊相变材料与水泥砂浆复配，考察了相变材料加入量对水泥砂浆相变潜热、抗压强度和抗折强度的影响，结果表明，在水泥、砂子和相变材料质量比为100∶160∶30条件下，水泥试块的相变潜热为32.5 J· g-1，抗拉强度为12.5 MPa，抗折强度为7.5 MPa。对成型的相变水泥试块进行了30次的冻融实验，结果证明，经过20次冻融循环后，相变水泥砂浆的相变潜热为26.6 J· g-1，经过30次冻融实验后水泥试块的相变潜热为24.2 J· g-1，保温性能较好。

关键词：相变材料； 相变潜热； 抗拉强度； 抗折强度

0引言

在能源利用领域，节能一直是最重要的课题，随着人们对节能技术的不断探索，如何利用相变材料在相变过程中的相变潜热进行能量的储存正成为当前研究的热点问题。将相变材料应用于建筑的围护结构，能够减轻能源的供求之间在时间和速度上的不匹配程度，有着很好的发展前景[1-3]。由于有机类相变材料具有固体状态成型性较好,一般不容易出现过冷现象和相分离，材 料的腐蚀性较小、性能稳定、毒性较小等优点，因此目前使用较广，而石蜡是应用最广泛的有机类相变材料[4]。微胶囊化相变材料(MCPCM)是采用微胶囊技术将相变材料用合成高分子材料或无机化合物以物理或化学方法包覆起来，制成稳定的固体微粒，这种微粒可以在很窄的温度范围内吸收/释放相变潜热，具有较为显著的储热调温功能[5-8]。目前有许多制备微胶囊的方法，原位聚合法是最为常用的方法之一。原位聚合法是将单体和引发剂全部置于囊芯外部，随着反应不断进行，聚合产物沉积在囊芯表面并包覆形成微胶囊。该方法制备的相变复合核壳结构材料具有颗粒尺寸小、壁膜厚度可控、芯材与壳材多样化等特点，近年来已经得到了人们的广泛关注[9-11]。本研究利用原位聚合法制备微胶囊包覆石蜡相变材料，并将之与水泥砂浆复配，考察相变砂浆的储热性能及力学性能，为相变材料在建筑领域得以广泛应用做出一些基础研究。

1实验

1.1　原料及仪器

P·O42.5水泥，宁波海螺水泥股份有限公司；

石英砂，市售，均为工业品；

微胶囊相变材料，自制。

DSC2910示差扫描量热仪(DSC)，TA Instrument Inc；

DKZ5000抗折强度测试机，无锡建仪实验器材有限公司；

MTSCriterion60抗压强度测试机，宁波坤宁计量检测仪器有限公司。

自制的微胶囊相变材料的基本性能见表 1。

表1　微胶囊相变材料的基本性能

1.2　实验过程

将水泥、砂子、相变微胶囊按照质量比100∶160∶30的比例混合均匀，制成标准试块，标准养护28 d后，测定其热性能及力学性能。

1.3　分析方法

1.3.1相变潜热

用美国TA Instrument Inc公司的DSC2910型差示扫描量热仪测量微胶囊及保温砂浆的相变温度和相变潜热。样品于353 K鼓风烘箱中烘干，氮气保护，加热速率为5 K/min。

1.3.2抗拉强度

实验按照JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行实施，将在(20±2) ℃相对湿度为90%以上的标准养护室养护28 d的70.7 mm×70.7 mm×20 mm的砂浆试块表面与上夹具表面涂上环氧树脂等高强度胶粘剂，将上夹具放在胶粘剂上确保位置不偏斜，养护24 h。将拉伸粘结强度夹具安装到试验机上,然后将试件置于夹具中,以(5±1) mm/min速度加荷至试件破坏。

1.3.3抗折强度

实验按照DL/TS126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》进行实施。

2结果与讨论

相变材料加入量对干混砂浆性能的影响如图1所示。

2.1　相变材料加入量对水泥试块相变潜热的影响

相变微胶囊作为一种保温材料，其加入水泥砂浆的热性能影响较大，以水泥为质量基准，在水泥与砂子质量比为100∶160条件下，利用美国TA Instrument Inc公司的DSC2910型差示扫描量热仪考察相变微胶囊加入量对水泥试块的相变潜热影响，见图1(a)。

2.2　相变材料加入量对水泥试块力学性能的影响

由于相变材料本身的力学性能与水泥砂浆体系相比有一定不足，并且制备的微胶囊相变材料为一种有机物质，与无机基体水泥砂浆复配后，相互之间还存在一定的相容性问题，因此，相变微胶囊的加入必然影响到水泥试块的力学性能，在水泥∶砂子质量比为100∶160条件下，利用宁波坤宁计量检测仪器有限公司的MTSCriterion60抗压强度测试机对水泥试块的抗拉强度进行了测定，结果见图1(b)。利用无锡建仪实验器材有限公司的DKZ5000抗折强度测试机对水泥试块的抗折强度进行了测定，结果见图1(c)。

(a) 相变潜热

(b) 抗压强度

(c) 抗折强度的影响图1　相变材料加入量对干混砂浆性能的影响

通过图1(a)可以看出，随着相变材料加入量的增加，水泥砂浆的相变潜热也不断增加，通过图1(b)和图1(c)可以看出，随着相变材料的加入，水泥砂浆抗拉强度和抗折强度也不断下降，在相变材料加入量为水泥质量的30%时，相变砂浆的相变潜热为32.5 J· g-1，抗拉强度为12.5 MPa，抗折强度为7.5 MPa，保温性能较好，力学性能满足建筑围护结构力学性能要求；继续增大相变材料加入量，虽然相变潜热仍能继续提高，不过作为水泥砂浆而言，力学性能是其最基本的性能指标，不宜过低，因此确定适宜的相变材料加入量为30%

2.3　相变水泥砂浆的耐久性分析

通过以上分析，证明相变材料的加入可以增强砂浆的保温性能，为进一步考察相变水泥砂浆的耐候性，利用高低温试验箱在-10~35 ℃区间进行冻融实验，考察30次温度变化时水泥试块的相变潜热，结果如图2所示。

图2　不同冻融次数下干混砂浆的相变潜热

通过图2可以看出，随着冻融实验次数的增加，相变水泥砂浆的保温性能也缓慢劣化，经过20次冻融实验后，相变潜热仍可达到26.6 J· g-1；随后相变潜热随着冻融次数的增加下降较快，保温性能也逐渐劣化，但即使冻融实验次数达到30次后，相变潜热也仅下降到24.2 J· g-1，保温性能较好。另外，对30次冻融循环后的水泥试块的力学性能进行了测定，通过测定，其抗拉强度为10 MPa，抗折强度为5 MPa，证明其力学性能损失不大。

3结语

1)通过DSC2910示差扫描量热仪、MTSCriterion60抗压强度测试机和DKZ5000抗折强度测试机对不同相变材料加入量，考察了微胶囊相变材料的加入量对水泥砂浆保温性能和力学性能的影响，结果证明，在相变材料加入量为水泥质量30%的条件下，相变水泥砂浆的相变潜热为32.5 J· g-1，抗压强度为12.5 MPa，抗折强度为7.5 MPa。

2)对成型的相变水泥试块进行了30次冻融实验，结果证明，经过20次冻融实验后，水泥试块的相变潜热为26.6 J· g-1，经过30次冻融实验后，水泥试块的相变潜热为24.2 J· g-1，保温性能较好。

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Preparation of microcapsule phase change material mortar

CHEN Wei1,ZHU Cai-yue2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China;

2.Component Co., Ltd. Ningbo Jiaochuan, Ningbo 315221, China)

Abstract：Phase-changed material is mixed with mortar to study how it influence the latent heat, tensile strength and bending strength of the mixed mortar. The results show that when the ratio between cement, sand and phase-changed material is 100∶160∶30, the latent heat, tensile strength and bending strength of mortar is 32.5 J· g-1，12.5 MPa and 7.5 MPa respectively. 30-time freeze thaw experiments indicate that the latent heat of phase-changed material mortar is 26.6 J· g-1after testing 20 times, and reach up to 24.2 J· g-1after 30 times, which demonstrate the better temperature saving performance.

Key words：phase-changed material; latent heat; tensile strength; bending strength.

作者简介：陈伟(1975-)，男，汉族，浙江宁波人，浙江大学宁波理工学院工程师，硕士，主要从事建筑工程材料、混凝土耐久性方向研究,E-mail:chenw@nit.zju.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008276); 宁波市科技创新团队项目(2011B81005)

收稿日期：2014-11-14

中图分类号：TU 111.4

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2015)01-0077-04

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.16