相变保温建筑材料研究和应用进展

苏磊静，丁雪佳，雷晓慧，何金迎，王林生，李熙然

（北京化工大学北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室，北京 100029）

上海“11·15”特大火灾以后，发泡聚氨酯等易燃建筑保温材料被禁用，学者纷纷开始关注相变材料的研究。所谓相变材料（phase change materials，PCM），是指利用相变过程来吸收或放出热量从而达到储存和释放能量的材料。以固-液相变材料为例，当环境外界温度升高到相变材料的熔点（熔化温度）时，相变材料就会吸收大量的热，从而产生从固态到液态的转变；反之，当环境温度低于相变材料的凝固点时，相变材料所储存的热量就会散发到环境中去，产生从液态到固态的逆转变，从而起到调节温度的作用[1]。在相变过程中储存或释放的能量称为相变潜热。将相变材料通过一定的工艺加入到普通建筑材料中与之复合即制成了质轻、高潜热的相变保温建筑材料。

相变材料的热物理性质是其能够作为建筑保温材料使用的重要特性，包括相变潜热、导热系数、比热容、膨胀系数、相变温度等直接影响材料的储热密度、吸放热速率等重要性能[2]。从应用角度来讲，相变储能建筑材料应具有以下几个特点：相变潜热高，相变过程可逆性好；耐久性突出；膨胀收缩性小，过冷或过热现象少；相变温度在20 ℃左右；导热系数大，储热密度大；无毒，无腐蚀性；成本低，制造方便；与建筑材料相容，可被吸收[3-5]。

相变材料按其所适用的温度，可分为高温相变材料、中温相变材料和低温相变材料；按其相变过程中的状态，可分为固-固相变材料、固-液相变材料、固-气相变材料和液-气相变材料。有气相参与的材料相变前后体积变化较大，不适于作为相变保温材料使用[1]。可用作建筑保温材料的主要是低温相变材料，可按照相变材料的结构进行分类，主要分为无机相变材料（如熔融盐、结晶水合盐等）、有机相变材料（含高分子材料，主要有石蜡类、脂肪酸类和多元醇类）和复合相变材料3大类。

图1是以纯石蜡为例，通过DSC测得的吸热曲线图，通过峰面积可得出其潜热的大小。

图1 石蜡的吸热曲线图Fig.1 The endotherimic curve for pure paraffin wax

1 定形相变保温材料的制备

相变材料用于建筑领域最为关键的技术就是在不影响墙体质量的同时起到保温节能的作用。目前主要的封装技术[1]有物理的吸附封装、微胶囊封装技术和高分子的包覆技术。

1.1 物理吸附封装

物理吸附封装是将相变材料通过特殊的复合工艺浸入到无机材料（如陶粒、膨润土、硅胶等）的空间网络或层状结构中去。

Wang等[6]将聚乙二醇PEG吸附到硅胶中得到PEG/SiO2定形相变材料，测试后得出PEG在SiO2中的最大包覆量为85%，当PEG为80%时可得到潜热高、导热较好的定形相变材料。马烽等[7]将棕榈酸和十六醇复合，以膨胀珍珠岩为基体材料，研究表明，当复合相变材料的基体材料质量分数为58.0%以下时，防渗漏的性能较好，实验还通过在膨胀珍珠岩中添加石墨改善其导热性能。李启金等[8]以膨胀珍珠岩为基体材料，石蜡为相变储能材料，制备了石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能材料，在实验中确定膨胀珍珠岩与相变材料的最佳吸附质量分数为65%，并对其微观结构进行研究，发现膨胀珍珠岩与石蜡的结合度很好，相变温度与相变潜热也没有因基体材料而受到影响。

1.2 微胶囊封装

微胶囊技术即为一种微包覆技术，将制得的球形颗粒状相变材料的表面包覆一层性能稳定的外壳，主要采用方法有界面缩聚和原位聚合。

Zhou等[9]采用界面聚合法合成了含有相变材料正十六烷的聚脲包覆微胶囊，直径约为25 μm，可耐300 ℃高温，具有合适的相变温度和较高的相变潜热，且耐久性试验中质量损失甚小。

1.3 高分子包覆

高分子包覆是首先将高分子材料（如高低密度聚乙烯）交联成空间网状结构，然后将相变材料与之熔融共混形成一种定形相变材料的方法。

Cemil等[10]研究了石蜡聚丙烯（PP）复合材料作为定形相变材料的性质及热力学可行性。在复合物中，石蜡作为相变材料，聚丙烯作为支撑材料。在石蜡不同含量下（50%、60%、70%、80%、90%）加热至复合材料熔点以上温度来测定其热学性能，发现当石蜡与聚丙烯质量比为7∶3时，为石蜡所能包含的最大比例。罗超云等[11-12]以石蜡作为相变材料，分别以EVA、HDPE及POE作为基体材料进行封装，两者熔融共混后，制得定形相变材料。对不同石蜡含量的材料进行多种测试后得知，EVA为基体较HDPE为基体有更好的稳定性；POE/石蜡定形相变材料的包覆性也要优于 HDPE/石蜡，略差于EVA/石蜡。

2 相变材料应用于建筑领域的研究进展

相变材料在建筑领域的应用研究始于 20世纪70年代早期，经历了相变材料的筛选和改进、相变材料应用于建筑领域的制备工艺及如今的相变材料在建筑中的应用方式3个阶段[13]。现阶段，相变材料在建筑中的应用主要是将其与围护结构相结合制得相变保温围护结构及将其与混凝土结合制得相变温控混凝土两大类。

2.1 相变石膏板

以石膏板为载体，加入一定的相变材料即可制成相变保温石膏板，可用作外墙保温材料。

Takeshi等[14]将正十八烷与正十六烷按照95∶5的质量比混合作为相变材料，然后将其与交联的聚乙烯熔融共混制成能量微球，再添加到石膏板中，这样就制得了具有储热功能的相变保温石膏板。

Feldman等[15]以石膏板为载体，以硬脂酸和棕榈酸为相变材料分别采用浸渍法和直接加入法两种方法制备了相变保温石膏板。通过对两种石膏板进行DSC分析，得出采用浸渍法得到的相变保温石膏板中里外层所含的相变材料量不同，而采用直接加入法制得的相变保温石膏板中相变材料分布均匀。

胡小芳等[16]将陶粒吸附石蜡后，将其浸入Ca2+溶液中，通过反应包封得到储能颗粒，然后将该储能颗粒与石膏按照一定比例混合后加入水固定成形为相变储能石膏板，相变储能颗粒的加入明显提高了石膏板的储能密度，延长了储能材料的储热时间，对空调制冷建筑物有着积极作用。

2.2 相变混凝土

相变混凝土是一种以混凝土为载体的相变材料。这类材料具有大的比热容，将其作外墙体材料时，可改善室内温度的舒适性。Lee等[17]采用浸渍法制备了相变保温混凝土，通过测试对比，浸有相变材料的混凝土比普通混凝土的储热性能明显提高，且气流速度对吸放热影响变大。

图2为某一相变房间与普通房间墙体的热流对比，从图上可以看出普通墙体的热流波动明显大于相变墙体[8]。

图2 普通房间与相变房间墙体内外热流对比[8]Fig.2 The comparison of internal and external wall of the heat flux between a common room and a phase change room[8]

2.3 相变砂浆

将相变材料掺入到砂浆或水泥中就得到了相变保温砂浆。闫全英等[19]以高密度聚乙烯为基体材料，石蜡（熔点 28.2 ℃）为相变材料，二者混合形成一种形状稳定、强度较高、均匀性较好的定形相变材料，通过将其加入到水泥砂浆中可制成相变温度较好、潜热较高的相变保温砂浆，从而有效调节室内温度。德国BASF公司先将石蜡封装在直径20μm 的微球中，再与水泥混合制得石蜡砂浆，其相变温度为 22 ℃，可用于内墙保温，其储热能力可达到砖木结构的10倍[20]。

2.4 在建筑保温隔热中的应用

1996年，德国研究人员成功地将相变材料包覆在微胶囊中，并将此相变微胶囊掺入到纤维膜材中，得到建筑保温隔热材料[21]。

1999年，美国俄亥俄州戴顿大学研究所成功研制出固液共晶相变材料[22]，它的固液共晶温度是23.3 ℃，低于或高于该温度都会使材料吸收或放出热量，以此来对室内温度进行调节。

国内则通过向基体中添加适量相变材料制备可用于建筑围护结构的建筑保温隔热材料。相变材料的添加提高了材料储热性能的同时改善了材料的热稳定性，且不影响材料的强度、耐久性等性能[23]。

2.5 相变保温建筑材料研究的特点

目前，国内外研究的相变材料以固-液相变材料为主，因为固-液类相变材料的相变温度大都在人们较为舒适的温度20～30 ℃之间，潜热大，价格便宜，便于商业推广；相变材料热传导增强方法以定形改性为主；相变保温建筑材料采用自动式和主动式节能应用研究并重的理念[24]。

3 主要应用技术及存在问题

相变保温建筑材料是将封装好的相变材料与建筑材料基体进行复合而制成的，其复合工艺主要有浸泡法和直接混合法两种，浸泡法即通过浸泡将相变材料渗入到多孔的建材基体中，这种方法工艺简单；直接混合法就是将相变材料与建材基体直接混合，该法工艺简单，性能更均匀，形状可调。

相变材料作为一种新的建筑保温材料，较之显热保温材料有很大的优越性，但是它也存在一定的问题[23]，最主要的是：①可用的相变储能材料的种类不足，严格的说现有的用于建筑领域的相变材料品种都存在不足，可用的种类少之又少；②相变储能建筑材料的制备工艺尚不完善，为防止相变材料使用中发生相变时出现渗漏、挥发等问题，要对其进行封装，而相变材料的封装技术目前尚不完善，这也是相变保温材料亟待解决的问题；③相变储能材料的使用成本偏高，由于技术不成熟而导致的制备工艺复杂，成本较高，且达不到充分利用。

4 结 语

相变保温建筑材料具有环保、节能等许多优点，但应用中也存在着不足之处，为更多的造福于人类，只有充分利用这些有利条件，不断开发成本低、具有简化制备工艺、易于使用的新型相变材料品种，强化相变保温建筑材料的力学和耐久性分析研究，改进其封装定形技术及其与基体的复合工艺，保证相变材料在使用的过程中不发生挥发、泄露等问题，提高其使用寿命，制备更多更好性能稳定、生态友好的相变储能材料，以满足不同用途的需要。

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