纤维增强复合相变储能风管的制备及性能研究

邹浩明 ，张春成 ，翟苏寒 ，王翀

（1.北京理工大学 材料学院，北京 100081；2.北京中世佳恒环保科技有限公司，北京 100085）

目前，相变储能材料已应用到生产、生活的各个领域[1-3]。生态建筑领域是相变储能材料应用最为广泛的领域之一。目前已有的报道中，吕石磊等[4]利用北方地区夏季夜间自然冷风的气候条件，选出2种合适的脂肪酸类PCM制成相变储能墙板，夏季可利用夜间冷风来吸收室内多余冷负荷，减少空调系统规模；冬季用其与电热膜结合使用，达到节约能源的目的。专利CN201964082U[5]公开了一种相变储能风管，将相变储能片固定在风管壳体内，利用粘贴的相变储能片实现风管储能。专利CN202884379U[6]公开了一种保温管，包括内管和设于内管外的保温层，内管和保温层之间还设有由相变材料组成的蓄热层，利用相变材料实现储能。不管是粘贴相变储能片还是包覆相变材料层，由于相变储能片和相变材料层与风管不是一体结构，储能效果受到限制。而且，相变储能片和相变材料层在使用时还需安装，成本较高。

针对采用相变储能片或相变材料保温层进行风管储能时存在的储能效果差、成本高的问题，本实验制备了一种新型纤维复合相变储能材料风管。

1 实验

1.1 实验原料

相变石蜡微胶囊、氯化镁、氧化镁、碳纤维布、菱镁胶凝材料改性固化剂，均为工业级，由北京中世佳恒环保科技有限公司提供。

1.2 纤维复合相变储能风管的制备

（1）胶结浆料制备：将20%相变石蜡微胶囊、75%氯氧镁和5%改性剂加入到质量为三者总质量1.0～1.5倍的水中并搅拌均匀，制得胶结浆料。

（2）涂覆成型：在风管模具的成型面涂上脱模剂，干燥后涂刷胶结浆料，然后铺放碳纤维布，并再次涂刷胶结浆料，此后，按照铺放碳纤维布、涂刷胶结浆料作为重复单元进行操作，直至达到设计厚度，得到成型风管。

（3）脱模养护：将成型风管自然固化后脱模，然后在18～35℃下养护8 h，得到相变储能风管。

1.3 性能测试

纤维复合相变储能风管材料的表观密度、软化系数和吸水率和法兰抗冲击强度按JC/T 646—2006《玻镁风管》进行测试。导热系数按GB/T 10295—2008《绝热材料稳态热阻及有关特效的测定 热流计法》进行测试。燃烧性能按GB 8624—2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》进行测试。释放有害气体和抗凝露性能按JG/T 258—2009《非金属及复合风管》进行测试。相变储热性能采用差热扫描量热仪（DTA）进行测试。

2 结果和讨论

2.1 复合纤维相变储能风管材料的基本性能表征（见表1）

表1 复合纤维相变储能风管材料的基本性能

由表1可以看出，本实验所制备的复合纤维相变储能风管材料具有适合的密度（＜2000 kg/m3），较好的耐水性能（软化系数＞0.85，吸水率＜8%），较高的强度（法兰抗冲击强度＞20 kJ/m2），以及良好的绝热性能[一般玻镁复合风管导热系数在0.03～0.05 W/（m·K）]。

2.2 复合纤维相变储能风管材料的燃烧性能（见表2）

表2 复合纤维相变储能风管材料的燃烧性能

由表2可见，复合纤维相变储能风管材料的燃烧性能达到了A1级指标，具有很好的防火性能。

2.3 复合纤维相变储能风管材料有害气体含量（见表 3）

由表3可见，复合纤维相变储能风管材料的有害气体含量完全符合JG/T 258—2009标准要求。

表3 复合纤维相变储能风管材料释放的有害气体

2.4 复合纤维相变储能风管材料的储热性能

复合纤维相变储能风管材料的储热性能采用日本岛津公司的DTG-60差热扫描量热仪（DTA）进行表征。测试采用顶部有一小孔的带盖氧化铝坩埚，从20℃开始按2℃/min的升温速率升至50℃，采用流量为50 ml/min的高纯氮气作为保护气和吹扫气，测试样品质量为5 mg。DTA测试结果见图1、图2，相变特征参数见表4。

图1 相变石蜡微胶囊的DTA测试曲线

图2 复合纤维相变储能风管材料的DTA测试曲线

表4 相变材料的DTA相变特征参数

由图1、图2和表4可以看出，相变石蜡微胶囊的相变峰温为29.3℃；掺杂20%相变石蜡微胶囊的复合纤维相变储能风管材料的相变峰温为28.7℃。两者差异不大，满足使用要求。相变储能风管材料的相变焓比相变石蜡微胶囊低，这是由于制备复合材料的其它材料不是相变材料。

2.5 复合纤维相变储能风管材料的抗凝露性能

由DTA测试结果可以证明，制备的复合风管材料具有相变储能性能，但是还不能说明它在实际使用中的作用。为此进行抗凝露性能测试，结果见表5。

表5 复合纤维相变储能风管材料的抗凝露性能

由表5可见，所制备的复合纤维相变储能风管材料具有良好的抗凝露性能。这是由于加入了相变储能材料后，减小了管壁与管内空气的温差。

3 结论

（1）复合纤维相变储能风管材料具有较好的耐水性、较高的强度及良好的绝热性能，符合相关标准要求。

（2）复合纤维相变储能风管材料的燃烧性能达到了A1级，具有良好的防火性能。

（3）复合纤维相变储能风管材料使用过程中无甲醛释放，其它有害气体释放量均很小，符合JG/T 258—2009的环保要求。

（4）热分析和抗凝露测试结果表明，复合纤维相变储能风管材料具有储热作用，使用此材料制成的风管具有良好的抗凝露性能。

[1] 郑其俊.绝热材料的发展与应用[J].新型建筑材料，2002（6）：44-46.

[2] 王志强，曹明礼，龚安华，等.相变储热材料的种类、应用及展望[J].安徽化工，2005（2）：8-10.

[3] 孙烨，陈艺轩，王辉.相变材料及其在建筑节能中的应用[J].辽宁化工，2017（2）：182-184.

[4] 吕石磊，冯国会，付英会，等.可用于北方寒冷地区的含脂肪酸类PCM 的相变墙板的 DSC 分析[J].节能，2004（3）：36-38.

[5] 张东.一种相变储能风管：CN201964082U[P].2011-09-07.

[6] 黄莉，支晓华，陈圣岳.保温管：CN202884379U[P].2013-04-17.