建筑用相变微胶囊/硅藻土复合材料的制备及性能研究

聂 瑞，王飞腾，陈丽红

(1 陕西国防工业职业技术学院,陕西西安 710300；2 陕西理工大学,陕西汉中 723001)

建筑、交通、工业是现阶段我国消耗化石能源最大的三个领域,尤其是在我国城镇化建设越来越深入的大背景下,建筑业(包含石灰、水泥、钢筋)已经成为碳排放的主要行业,占国内能源消耗总量的35%[1-2]。为了进一步降低建筑能源、节约建筑使用成本,越来越多的施工单位开始使用保温材料,而传统保温材料普遍存在导热系数低、低比热容等方面的问题[3-4]。因此,本研究制备了一种相变微胶囊-硅藻土复合储热材料,并研究分析了该材料的储热性能和吸湿性能。

1 相变微胶囊/硅藻土复合材料的制备

1.1 实验材料

制备相变微胶囊-硅藻土复合材料所需要使用的各种材料见表1。

表1 实验材料Table 1 Experimental materials

1.2 仪器设备

制备相变微胶囊-硅藻土复合材料所需要使用的仪器设备见表2。

表2 仪器设备Table 2 Instruments and equipment

1.3 制备流程

本研究通过界面聚合法封装有机相变材料,首先对建筑用壁材和芯材实施混合乳化处理并形成油相,与水相混合后,芯材料表面的壁材在引发剂的作用下会发生聚合反应进而形成微胶囊,整体反应过程如图1 所示。取甲基丙烯酸甲酯3g 和十八烷7g,经搅拌充分后形成油相[5-7]。另取3%的SDBS 并将其加入10g 蒸馏水中,经搅拌充分后形成水相。将水相和油相放入水浴锅中搅拌30min,环境温度80℃,进而形成水包油乳液,再称取0.03g 过硫酸铵溶液(0.13g/mL)并将其滴入乳液中,该操作可引起聚合反应[8-10]。经过2h的聚合反应后获取相变微胶囊溶液,通过抽滤处理将溶液中的微胶囊提取出来并实施3 次蒸馏水清洗处理,于50℃环境静置24h最终获取相变微胶囊[11]。

图1 相变微胶囊的合成过程Fig.1 Synthesis process of phase change microcapsules

相变微胶囊由于无法单独作为建筑涂层材料直接投入使用,因此将硅藻土与相变微胶囊混合进而制备出相变微胶囊-硅藻土复合材料,具体流程如下:(1) 于真空干燥箱中放置相变微胶囊,在30℃环境下静置24h；(2)于真空干燥箱中放置硅藻土材料,在100℃环境下静置24h；(3) 待硅藻土和相变微胶囊充分干燥后以7:3的比例混合均匀,并倒入适量的去离子水,经20min 充分搅拌后混合均匀。于一个正方形模具中倒入充分混合的相变材料,再将其放置于真空干燥箱中静置72h,温度为30℃,最终获得相变微胶囊/硅藻土复合材料[12-13]。

2 结果分析

2.1 微观形貌

根据图2 可知,相变微胶囊微观外表呈不规则球形,粒径普遍在1μm 以内并被包囊于壳材中,部分区域内会存在相变微胶囊团块。根据图3 和图4 可知,相变微胶囊/ 硅藻土复合材料相比于单纯硅藻土来说质地更为稠密,相变微胶囊与硅藻土经过充分混合后可进一步增强相变材料的粘性,使之可作为建材材料并应用于建筑领域。根据图5 也可以发现,相变微胶囊/ 硅藻土复合材料定型试块棱角分明且质地均匀,说明该复合材料具有良好的定型能力。

图2 相变微胶囊微观形态Fig.2 Micro morphology of phase change microcapsules

图3 硅藻土微观形态Fig.3 Micro morphology of diatomite

图4 相变微胶囊/硅藻土 复合材料微观形态Fig.4 Micro morphology of phase phase change microcapsule/diatomite composite

图5 复合材料定型试块Fig.5 Composite shaped test block

2.2 DSC 测试

图6 为相变微胶囊/ 硅藻土复合材料的DSC 曲线,经实验分析发现,相变微胶囊/ 硅藻土复合材料的融化温度为22.30℃,融化峰值为26.35℃,融化潜热为44.17J/g。相比于单纯相变微胶囊来说,相变微胶囊/ 硅藻土复合材料的融化潜热和融化温度必然会有所下降,但仍然具有一定调节室温的能力,融化温度也处于室内舒适温度区间。

图6 相变微胶囊/硅藻土复合材料DSC 曲线Fig.6 DSC curve of phase change microcapsule/ diatomite composit

2.3 DVS 测试

由于硅藻土材料具有多孔性特性,因此相变微胶囊/ 硅藻土复合材料理论上应当具有一定的吸湿特性。在室内湿度提升的情况下,硅藻土的吸湿作用可以延缓室内湿度增加,而在室内湿度下降的情况下,硅藻土还能够将所吸收的水分释放出来,进而延缓室内湿度下降。硅藻土的这一特性有助于维持室内湿度平稳。通过动态水蒸气吸附仪(DVS)来建立相变微胶囊/ 硅藻土复合材料的等温吸附曲线,设定质量平衡标准为0.001%•mi-1,相对湿度变化范围为0～95%,测试温度为25℃。相变微胶囊/ 硅藻土复合材料DVS 测试曲线如图7 所示,经测试可知,该材料的饱和吸湿量为0.32g/g,得益于硅藻土的多孔特性,复合材料在具有储热性能的同时也具有一定的湿度调节功能。

图7 相变微胶囊/硅藻土复合材料DVS 测试曲线Fig.7 DVS test curve of phase change microcapsule/ diatomite composite

3 结束语

本文详细介绍了相变微胶囊/ 硅藻土复合材料的制备方法,观察了该复合材料的微观形貌,并针对其储热性能和吸湿性能进行分析。根据实验分析结果可知,将相变微胶囊/ 硅藻土复合材料作为建筑材料投入应用,有助于改善室内的温度、湿度状况,起到节约建筑能源的作用。