相变石蜡复合膨胀珍珠岩的制备与表征★

郭振华 马 康 兰北辰

(1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300402; 2.中铁建设集团有限公司，北京 100080)

0 引言

目前，能源问题十分严峻，建筑节能已迫在眉睫。在执行建筑节能的标准和政策当中，相变材料的应用越来越受到人们的高度关注。相变材料是指在物相变化过程中温度保持恒定的物质，其显著特点是随温度变化而发生相变，并提供大量的潜热［1-3］。这种相变储能材料既能满足当今建筑节能的要求，又能满足建筑环保和经济性的发展需要［4］，是未来建筑材料的一个重要发展方向，具有广阔的应用前景［5］。

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［6］。有机相变材料中，从热物性、物理化学性和经济性等方面进行考虑，石蜡已成为国内外储能方面的研究热点，具有相变潜热高、无腐蚀性以及价格低廉等优良性能［7］。无机物中，如孔隙率非常高的膨胀珍珠岩，其孔隙具有很好的连通性，内部呈酸碱中性，与有机相变物质相容性好，而且颗粒级配合适。因此，本文选取多孔膨胀珍珠岩及石蜡制备复合相变材料［5］。

1 实验部分

1.1 原材料

52号切片石蜡，其熔点为52℃～54℃。

膨胀珍珠岩：粒度为20目～40目。其主要组分含量为72% SiO2，18%Al2O3，3.7%K2O，3.9%Na2O及少量CaO，MgO等。物理性质：孔隙率，65%;饱和吸水率：380%;密度：192 kg/m3。

1.2 复合相变储能材料的制备

膨胀珍珠岩为多孔物质，具有很强的亲水性，在与石蜡复合过程中易吸水降低复合相变储能材料的性能。故在使用之前需经过110℃，20 h的烘干处理，除去其中的水分。将石蜡与干燥的膨胀珍珠岩混合均匀倒入圆底烧杯，在真空下于80℃恒温水浴中吸附2 h，使膨胀珍珠岩微孔充分吸附熔融的石蜡相变材料。最后，将圆底烧杯从恒温水浴中取出，冷却至室温，即可得到石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能材料［8］。

将石蜡相变材料与膨胀珍珠岩按不同质量比混合，结果如表1所示。由表1可知，当石蜡与膨胀珍珠岩的质量比小于3∶1时，复合材料保持原形，并没有液体渗出，说明其最佳复合质量比为3∶1。

表1 石蜡与膨胀珍珠岩的不同质量比复合试验

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

图1a)和图1c)(石蜡与膨胀珍珠岩质量比为3∶1)为膨胀珍珠岩吸附石蜡前后的SEM形貌。其中，图1b)，图1d)分别为图1a)，图1c)在高倍下的形态。石蜡的电导率较低，在扫描电子微观结构之前要进行离子溅射喷金处理。由于石蜡对金敏感性较差，使得其在被膨胀珍珠岩吸附后的图像呈现模糊状态(见图1c)，图1d))。但可比较得出，吸附前，膨胀珍珠岩内部孔洞较多，呈现出无数蜂窝状空腔结构，且孔径不等;吸附后，膨胀珍珠岩表面发生了很大的变化，凹坑中布满了相变材料，石蜡几乎填充了其所有空隙，使多孔、疏松的膨胀珍珠岩成为了密实、厚重的颗粒。微孔中的充填物质经探针测试确定为石蜡，从而形成了有机/无机复合相变储能材料。当石蜡发生固—液相变时，膨胀珍珠岩毛细管吸附力的束缚作用，使得液态石蜡难以从微孔中溢出，解决了相变材料的封装问题，便于在建筑领域中的应用。

图1 膨胀珍珠岩及复合相变储能材料的SEM照片

2.2 DSC测试

由图2石蜡融化的DSC可知，52号石蜡有两个相变峰。其中，较明显的吸热峰位于50℃～60℃之间，初始相变温度为49.1℃，结束时为55.9℃，峰值相变温度位于52.6℃附近。另一个相变峰则不明显，峰温约为35℃。图3为相变储能材料的差热曲线。从图中可以看到，当石蜡与膨胀珍珠岩以质量比3∶1复合时，复合的相变颗粒熔点为24.9℃，且其相变温度恰好处在人体最舒适温度区间，可用作建筑储能材料。从潜热的角度来分析，石蜡的相变潜热为167.4 J/g，而复合相变储热材料的相变潜热为85.3 J/g，要低于单一石蜡的相变焓。造成这一现象的可能原因是由于膨胀珍珠岩颗粒的相变潜热很小，使得两种材料复合之后比单一石蜡的相变焓有所降低(为51%)，但石蜡相变材料单独使用时液化易漏的难题可以得到解决。

图2 石蜡相变材料的差热曲线

图3 复合相变储能的差热曲线

3 结语

本文选取多孔介质膨胀珍珠岩及石蜡制备复合相变储能材料。通过石蜡相变材料与膨胀珍珠岩按不同质量比混合，得出当其质量比小于3∶1时，复合材料保持原形，并没有液体渗出，即石蜡与膨胀珍珠岩最佳复合质量比为3∶1，解决了相变材料的封装问题。SEM与DSC对复合颗粒进行研究发现，膨胀珍珠岩表面吸附相变材料后，空隙基本被石蜡所填充，成为了厚重的颗粒，且复合储能材料比单一石蜡相变材料的相变焓有所降低。

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