珍珠岩复合相变储能材料制备技术研究

王文娟，陈 峙

（信阳职业技术学院，河南 信阳 464000）

当前全球经济的快速发展以及科学技术的不断提升，各国对于能源、资源的需求都呈现出大幅度提高的趋势。世界能源与资源的消耗量逐渐增加，能源节约已经成为制约着社会乃至国家经济可持续发展的重要瓶颈问题。在这样的大环境背景下，由于我国在相变储能材料理论方面的研究起步相对其他国家较晚，并且在实际的建筑工程领域当中实现开发更是缺失[1]。目前，我国高能耗建筑在我国既有建筑中的占比超过九成，其中绝大部分是没有考虑相变储能材料的高耗能建筑。相变储能材料（PCMs），是指能够在一定温度条件下，实现固体、液体和气体三相之间状态改变的材料。与此同时，在对周围环境温度进行调节的过程中，还可以减缓能源供需之间在时间和速度上的不同步，达到对室温的控制，极大地降低了空调等调温设备的能耗，从而达到降低环境污染和温室效应的目的，尤其适合于建筑节能保温领域[2]。基于相变储能材料在建筑领域中的应用优势，本文下述将开展对珍珠岩复合相变储能材料制备技术的设计研究。

1 珍珠岩预处理与表面改性

珍珠岩是一种传统的保温材料，具备保温、隔声以及轻质等特点，但是珍珠岩本身的吸水率极高，所吸水的质量通常能够达到其自身质量的3～4倍，在吸水后，其自身的保温性能会急剧下降。针对这一问题，为提高珍珠岩的应用性能，将其与相变储能材料相结合，制备全新的珍珠岩复合相变储能材料[3]。在制备前，需要先对珍珠岩材料进行预处理以及表面改性。在预处理时，需要用到十二烷基苯磺酸钠（SDBS） 作为表面活性剂，有机硅溶液和聚二甲基硅氧烷作为憎水剂。在预处理前，珍珠岩的外观为白色颗粒。预处理操作流程为：选用60目（0.30 mm 规格） 和80 目（0.45 mm 规格） 的筛子，对珍珠岩进行过筛处理。将其按照粒径分别为0.30mm 和0.45 mm 两种规格进行分类。从完成筛选的珍珠岩颗粒中提取100 g，并将其放入到容积为 1000 mL 的烧杯当中。向烧杯内加入12 g SDBS，以及450 mL 的蒸馏水，持续搅拌15 h，再经过抽滤后，放置在50 ℃干燥环境中12 h。珍珠岩预处理装置连接结构图见图1。

图1 珍珠岩预处理装置连接结构图

在完成对珍珠岩的预处理后，将溶液浸渍法与水解沉积法相结合，对珍珠岩表面改性。称取10 g经过预处理的珍珠岩粉末。将其放入到250 mL 容量烧杯中，再向烧杯内加入100 g 蒸馏水。在60 ℃温度环境下，持续搅拌2 h。搅拌后，加入适量浓度的有机硅溶液和聚二甲基硅氧烷混合溶液，再持续搅拌8 h。搅拌完毕后，将烧杯密封，并在60 ℃温度环境下使其充分反应2 h。最后经过抽滤，在60 ℃干燥环境中持续12 h 干燥[4]。在完成上述操作后，对处理后的珍珠岩吸水率进行测定。称取烘干后的3 份样品，将其质量控制为各5 g，向其中加入150 mL 的蒸馏水，在静置5 h 后，称取其质量，并结合下述公式计算得出吸水率。

式中：η 为处理后珍珠岩的吸水率；m2为静置后称取的珍珠岩质量；m1为静置前烘干后的质量。除此之外，针对处理后的珍珠岩材料还需要对其动力学性能和热力学性能进行测试。对材料的动力学性能测试基本操作为：在吸收塔内，用一张滤纸包着一块脱脂棉，用一根细细的金属线绑到吸收塔的底部，然后倒入20 mL 的水，加入适量的油（油使用石蜡，并用苏丹红IV 将其染成红色）。将其置于环境温度（16 ℃）下，测定其放置2 min、5 min、10 min、15 min、30 min、60 min 后的吸油率。在测定吸油速率时，应将吸收塔底部的阀开启，让水与油自然排出[5]。对材料的热力学性能测试基本操作为：在所述吸收塔中，将脱脂棉用一张滤纸包好，并用一根细线绑到吸收塔的底部，然后，添加20 mL的水，添加适量的油（水面浮油量分别为0.2 g/mL、0.4 g/mL、0.6 g/mL、0.8 g/mL、1 g/mL，并用苏丹红IV 将所述油染成红色）。在0 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃的环境下，测定放置15 min 后的吸油速率。在完成上述测试，并确保各项性能指标均符合规定要求后，才能够将其应用到复合材料的制备流程中。

2 制备所需原材料与设备选择

在完成对珍珠岩材料的预处理和表面改性后，对珍珠岩复合相变储能材料制备所需的原材料和设备进行选择。原材料包括正癸酸、珍珠岩等。选用化学纯（99%） 白色晶体正癸酸，以及上述经过预处理后粒径在0.30～0.45 mm 范围内的珍珠岩。所需制备设备包括真空泵、恒温水浴锅、通气阀、三口圆底烧瓶以及温度计。所选用的真空泵为SHZ-D（III） 型号标准两抽头防腐型真空泵，电机功率为180 W；水箱容积为15 L；噪音为50 dB。所选用的恒温水浴锅为SYP-48100 型号，其温度范围为室温～99.9 ℃；温度均匀度为95%；加热功率为1500 W；温度分辨率为0.1 ℃。

3 基于浸渍法的材料制备

在确定制备所需原材料和设备后，结合浸渍法对珍珠岩复合相变储能材料进行制备。以珍珠岩为基质，以石蜡基为储能介质，制备一种新型的复合相变储能材料。在此基础上，将石蜡-珍珠岩的相变组分添加到炉渣中，并与常规的硅酸盐水泥进行比较。与硅酸盐水泥相比，复合相变储能材料外部温度的起伏变化和波动小且平稳。与普通硅酸盐混凝土比较，具有较低的温升、冷却时间，且具有较好的节能性能，满足了建筑保温性能的需要。由于其在室温、常压条件下合成，而非真空吸附，致使膨胀珍珠岩中仍存在着大量的微孔隙，在其不能到达相变点之前，对其进行了绝热和保温。

以不同的配比为标准，对正癸酸和改性后的膨胀珍珠岩进行称量，并将其放入250 mL 的三口圆底烧瓶中，对其气密性进行检测，开启真空泵，将其抽真空30 s，将其打开，并将其设定为适合的温度45 ℃，将其放入恒温水浴锅中15 min，之后再打开通气阀，并进行2 min 的搅拌。再对气密性进行检测，开启真空泵，将其抽真空30 s，打开恒温水浴锅。将其设定为适合的温度45 ℃，将其放入恒温水浴锅中15 min。之后再打开气阀，进行2 min 的搅拌，之后将其冷却，就可以得到正癸酸/膨胀珍珠岩复合相变材料。该技术涉及一种新型的相变材料，它可以与灰泥、混凝土、石膏和沥青等混合，制备出一种新型的相变储能灰泥和相变混凝土。

4 实例应用分析

通过本文上述论述，提出了一种全新的珍珠岩复合相变储能材料制备技术。实验选择珍珠岩材料为：60～80 目，天津市科锐思化工有限公司。正癸酸：分析纯（99%） 白色晶体，熔点29.0～32.0 ℃，质量分数≥98.0%，天津市福晨化学试剂厂。有机硅溶液：分析纯，浅黄色透明液体，密度为0.95 g/mL，pH 值为6～7，国药化学试剂有限公司。500 号石蜡油：石蜡质量分数为65%，圣康化工有限公司。按照上述方法进行实验。表1 为实验过程中，改性方法对珍珠岩吸水率的影响。从中不难看出，随着有机硅质量的增加，珍珠岩的吸水性随之降低。当有机硅质量分数为1.13%时，改性后的珍珠岩呈粒状。此过程中，水解沉积法处理的珍珠岩具有较好的厌水性。由此，本次实验选择溶液浸渍法与水解沉积法相结合，对珍珠岩表面进行改性的方法具有较好的可操作性。

表1 改性过程中珍珠岩吸水率的变化

制备过程中，水解温度对珍珠岩吸水率的影响见图2。结果表明，在22～40 ℃的水解温度范围内，珍珠岩的吸水率明显降低；在40～60 ℃的水解温度范围内，吸水率降低的速率减缓；在60～80 ℃的水解温度范围内，吸水率基本不变，且趋于平稳。由此，60 ℃的水解温度较为适宜。

图2 水解温度对珍珠岩吸水率的影响

为验证该技术应用可行性，对应用新技术的材料质量进行测试。将制备后的材料作为研究对象，针对其质量损失比进行观察，选用JSM-5600 型号电子扫描显微镜作为观测设备，对制备材料的形貌进行观测，再采用NICOLE 红外光谱仪对材料进行红外分析。通过一定质量的材料在不同温度条件下，观察其质量变化。共设置两种温度条件，分别为40 ℃和50 ℃，测试在10 min、20 min、30 min时间中质量的变化，将得到的数据记录见表2。

表2 材料质量损失比记录表

从表2 可以看出，在温度为40 ℃和50 ℃的条件下，制备的材料随着其质量比的增加，相应的质量损失逐渐增加，且质量损失的占比呈现出明显的增加趋势，损失速率逐渐增加。再进一步结合扫描电镜得到的结果对制备的材料进行分析。制备的材料内部呈现出蜂窝状多孔疏松结构，孔与孔之间都相互分隔，孔壁薄，且较为光滑。这种材料结构能够为相变储能材料融合提供更理想的空间条件。实验过程中，在100 个循环的热循环中，珍珠岩复合相变储能材料仍处于熔化状态，且不会发生大的渗漏，表现出良好的稳定性。这主要是因为它的孔隙结构可以让相变储能材料在它的表面张力和高毛细作用下，很难渗透到液体中，因此进一步提高了材料的稳定性。

5 结束语

珍珠岩复合相变储能材料是建筑外墙保温的主要材料，具有调节室内温度、保温等功效，通过对该材料的使用能够减少建筑材料的消耗，增加建筑面积，并减少环境污染以及温室气体的排放。基于该材料的应用优势，本文上述研究提出了一种新的制备技术，并通过对制备后的材料性能检验，间接证明了新制备技术的应用可行性。在研究过程中，由于对材料的制备是在实验室中进行，与实际工程环境是否存在差异，实际工程环境中的因素是否会影响到制备效果，都需要进行进一步的验证。