一种新型相变“合金”材料制备及性能研究

2015-07-12刘志博于超程宏达朱超群丁

四川水泥 2015年12期

关键词：癸酸储热硅藻土

刘志博于超程宏达朱超群丁锐

（1吉林建筑大学材料科学与工程学院本科生，长春 130118 2：吉林建筑大学，长春 130118）

一种新型相变“合金”材料制备及性能研究

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（1吉林建筑大学材料科学与工程学院本科生，长春 130118 2：吉林建筑大学，长春 130118）

本文制备了一种脂肪酸二元体系相变储能材料，并采用无机多孔材料进行吸附，制备了一种宏观上为固-固相变的合金相变体系。并通过DSC, SEM, TG等方法测试了混合体系在融化和凝固过程中的热特性。二元相变体系的相变温度为21.31℃、焓变值153.17J/g，复合相变体系的相变温度为23.6℃、焓变值172.68J/g，相变潜热较高，相变温度较低。

相变材料热能储存硅藻土

1. 引言

相变材料(Phase change materials)定义为：在相转变过程中，与外在环境进行热量交换，放出或吸收热量，进而达到能量的储存和释放的目的，由于其成本低廉、储热热效率高，因此成为了未来节能材料发展的主要方向[1,2]。多孔基体复合相变储能材料是采用无机多孔材料作为吸附载体，如活性炭、硅藻土等，在高真空度下，将相变材料吸附到多孔材料的孔隙当中。由于多孔材料的比较面积较高，因此可吸附较多的相变材料，储热密度较大，此外，在相变过程中，由于毛细管张力的作用，液态的相变材料不能从孔隙当中溢出，使相变材料在宏观上失去流动性，表现为固-固相变。该类PCM不需容器盛装，增加了传热面积和传热效率，可根据需要制成各种形状或复合到其他材料中。

2. 实验部分

实验原材料：C12H24O2月桂酸；CH3(CH2)8CO(OH) 癸酸；提纯硅藻土。

实验手段：TG、DSC、SEM。

通过差示扫描量热法对原材料的相变温度进行测试。测试结果如下：

月桂酸的相变温度为47℃；癸酸的相变温度为31℃。二者的相变温度较低，接近环境温度，此外储热能力较大，相变焓较高，可用于建筑节能领域。但是，月桂酸及癸酸的相变温度都高于居住适宜温度（18-22℃），因此，根据低共熔点原理，将这二种物质按照一定的比例混合，使其达到预计的相变温度区间，按照施罗德(Schroder)公式[3,4]计算可得到癸酸与月桂酸混合形成低共熔物时的混合比及相应的相变温度。最后确定的主储能物质（月桂酸：癸酸）的质量比为30%：70%。

本文所采用的硅藻土为临江市生产的提纯土，其详细化学成分见表2-1,

表2 -1 硅藻土化学成分分析

硅藻土提纯方法，1%稀盐酸酸洗3次，后经蒸馏水洗后，PH值成中性。提纯后，硅藻土的有机物基本溶出，扩孔明显，增加了硅藻土的比表面积。

将提纯后的硅藻土放入三口烧瓶中，采用采用真空吸附的方法制备复合相变材料，实验装置见图2-1。具体步骤为：将预先放置好硅藻土的三口烧瓶放入恒温水浴中，水浴温度恒定70℃，在真空状态下相变材料（月桂酸：癸酸 30%：70%）通过滴管缓慢滴入，流速控制在5ml/min，通过搅拌使其与硅藻土充分复合，通过试验确定硅藻土与PCM最佳的质量比为1.75：1。

3. 结果及讨论

图3 -1月桂酸：癸酸 3：7 DSC曲线

图2-1 试验装置图

由图3-1可知，二元相变储能材料的的相变温度为21.3℃，熔点温度为11.97℃，相变焓153.17J/g，相变温度基本满足建筑使用条件，此外储热能力较大大，具有很高的应用价值。此外在测试过程中，DSC平缓，没有亚稳态存在。图3-2为硅藻土吸附后相变储能体系的DSC曲线，由图可知，复合体系的热力学特征与二元 PCM相近，相变温度有增高的趋势（21.3℃-23.6℃），这是由于硅藻土作为无机材料，导热系数较低，在相变过程中存在热传导时间差及降低了复合体系的导热系数所造成的。图3-3为复合相变体系的TG分析曲线，从图中可知，复合相变体系在使用温度区间内没有质量损失，复合体系具有很好的结构稳定性，不会出现因温度而造成的泄漏现象。只有超过组元沸点（197℃）后才开始蒸发，直到262.6℃二元相变材料完全蒸发，失重率为56%。

图3 -2 硅藻土吸附PCM DSC曲线

图3-3硅藻土吸附TG表征图

图3 -4 硅藻土扫描电镜图片

图3 -5 硅藻土吸附 PCM电镜图片

图3-4为硅藻土的SEM图片，由图可知，硅藻土具有较好的孔隙结构，可以作为一种良好的多孔吸附材料使用。图3-5为硅藻土吸附相变材料后的SEM图片，从图中可以看出，吸附后，硅藻土的孔结构完全被二元相变材料填充，已经复合成一个整体，这是由于硅藻土内部孔结构为纳米孔及微米孔复合的介孔结构，比表面积较大，吸附二元相变材料后，孔隙结构的表面张力较高。