自调温相变木塑复合材料挤出工艺与性能研究

张建群，李勇

（山东通佳机械有限公司，山东 济宁 272100）

自调温相变木塑复合材料挤出工艺与性能研究

张建群，李勇

（山东通佳机械有限公司，山东 济宁 272100）

本文将相变物质引入木塑复合材料中，研究了材料的挤出工艺以及加热和冷却过程中材料表面温度随时间的变化关系，分析得出相变物质的加入减缓了温度的变化速度，使得木塑复合材料具有储能的作用。

相变材料；木塑复合材料；挤出；温度调节

自20世纪70年代出现了能源危机及大量能源消耗导致的环境污染和温室效应，人们一直在研究高效能源、节能技术、可再生环保型能源、太阳能利用技术等。其中，相变储能技术［1］是提高能源利用效率和保护环境的重要技术。

相变材料［1～2］是指在其物相变化过程中，可以与外界环境进行能量交换，从而达到控制环境温度和利用能量的目的的材料。相变材料在特定温度范围内发生相态变化，在此过程中具有吸收或释放热量的性能。相变材料在相变发生前后温度变化不大，会形成一个较宽的温度平台，可以将温度变化维持在一个较小的、使人体感到舒适［3］的范围内。如果在室内的地板和天花板使用相变材料，则可将室内温度变化梯度降低到小于5 ℃的舒适状态。

有资料显示，建筑领域能源消耗占社会能源总耗量的1/3。提高建筑领域［5］能源使用效率、降低建筑能耗，对于整个社会节约能源和保护环境都具有显著的经济效益和社会影响。随着高层建筑的快速发展，大量采用热容比较低的轻质建筑材料，不利于平抑室内温度波动。而在轻质建筑材料中加入相变材料是解决这一问题的有效方法。因此，相变材料在建筑节能、新能源利用、环境保护等领域得到广泛应用，［4］是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。

本文在现有植物纤维复合高分子木塑材料［6］中引入低分子相变材料，形成一种多组分相变复合材料，利用该材料的相态变化产生的吸热和放热效应，保持材料的恒温性，用于生产节能保温、恒温的家居装饰材料。

1 工艺概况

1.1 试验设备

设备及厂家如表1。

表1 实验设备表

表2 实验原料表

1.2 试验原料

原料及厂家如表2。

1.3 工艺流程

首先加入木粉、活性碳酸钙、PVC、发泡剂等原料进行高速混合，接着进行低速混合冷却。然后把混合好的物料通过上料机送至料斗内，在木塑专用螺杆挤出塑化混合作用下物料被塑化并混合均匀，进入模具冷却定型，最后成型为制品。

利用化学渐扩式工艺进行模内发泡以利于形成光滑的表皮结构。与热模融为一体的冷定型模采用循环水冷却，实现快速定型。流程如图1所示。

图1 工艺流程简图

1.4 加工工艺参数

加工工艺参数如表3所示。

2 性能试验部分

2.1 复合材料基本配方

复合材料的基本配方如表4所示。

采用挤出发泡工艺，制备出相变材料含量不同的复合材料试板，并添加不同颜色的着色剂，用于下面的性能试验研究。

2.2 储热性[7]研究

（1）加热过程。将复合材料试板放置在86 ℃恒温鼓风电热烘箱中。从室温开始加热，并使用红外测温仪测定材料表面温度，直到材料表面温度稳定为止。

（2）冷却过程。将复合材料试板加热到80 ℃，然后放置在室温下自然冷却，使用红外测温仪测试材料表面温度，直至温度稳定为止。

图2 加热过程的时间/温度曲线

图3 冷却过程的时间/温度曲线

表3 工艺参数表

表4 复合材料基本配方表

2.3 微观结构表征

利用扫描电子显微镜（日立SE3500）观察复合相变材料的微观结构。

3 结果与讨论

3.1 复合材料储热性分析

采用现有常用的陶瓷板作为对照材料，测试并比较了陶瓷板和不同含量相变物质的复合材料的储热性能。

图2为加热过程中温度随时间的变化，可以看出陶瓷般的升温速度要远大于复合材料的升温速度。图3为冷却过程中温度随时间的变化，能够看出陶瓷板的降温速度远大于复合材料的降温速度。

由此可以看出，在加热过程中开始阶段升温都较快，当达到相变物质的相变温度时，相变物质开始吸收热量发生了由固态向液态的相态变化，将能量储存在体内，从而减缓了复合材料的升温速度。而冷却开始时温度下降较快，当温度到达相变物质的相变温度时，相变物质开始由液态转向固态，储存在其体内的能量逐渐释放出来，因而减慢了复合材料的降温速度。结果表明，添加了相变物质的复合材料能够实现能量的吸收和释放，从而有效地自调节温度。

图4 复合材料在加热过程和冷却过程中的SEM图像

3.2 复合材料微观结构表征

图4为相变物质含量15%的复合材料在加热和冷却过程中的SEM图像。由图4（a）能够看出加有复合材料中相变物质呈液相状态。而图4（b）复合材料中的相变物质已成凝固状。这说明了复合材料中的相变物质发生了固液相的相态转变，同时伴随着能量的吸收和释放，也从微观角度印证了上面的实验结果。

4 结论

采用挤出发泡工艺制备出含有相变物质的木塑复合材料，通过试验测试显示出该材料具有自调温的功能，能够有效控制温度的变化，减小温度的变化幅度。

本文对自调温相变木塑复合材料的储热性能进行了探究，将木塑复合材料的功能做了积极地外延，对于该复合材料用于家居装饰等领域起到节能环保的作用是一项有益的探索。如果将该材料用于室内装饰方面，能够使室内的温度波动变小，使得舒适度有效提升。

随着社会经济的发展，人们日益追求绿色、环保、节能的材料［8］。将具有自动相变功能的物质与现有的环保材料相结合，成为结构性能一体化的新型节能环保材料［9～10］，用于装饰、建筑等各领域，符合发展的趋势，也具有明显的社会效益和巨大的市场潜力［11］。

［1］ Mohammed M Farid， Amar M Khudhair， Siddique Ali K，etai. A review on phase change energy storage： Materials and applications ［J］. Energy Conversion Manage， 2004，45：1 603～1 608.

［2］ 张寅平，王馨，孔祥冬，等. 相变贮能理论和应用［M］. 合肥：中国科学技术大学出版社，1996.

［3］ 李峥嵘. 相变墙体在空调降温中的应用［J］. 暖通空调，2001 （2）：41～43.

［4］ 梁辰，闫全英. 相变储能技术的研究和发展［J］. 建筑节能，2007，35（12）：41～44.

［5］ 李爱菊，张仁元，黄金. 定形相变储能材料的研究进展及其应用［J］. 新技术工艺，2004（2）：45～48.

［6］ 薛平，张明珠，何亚东，等. 木塑复合材料及挤出成型特性的研究. 中国塑料，2001，（15）：22～24.

［7］ 丁文赢，薛平，李建立，等. 定形相变材料的性能表征与实验研究. 材料导报，2008，（22）：252～255.

［8］ Khudhair Amar M， Farid Mohammed M. A review o n e n e rg y c o n s e r v a t i o n i n b u i l d i n g a p p l i c a t i o n s w i t h t h e r m a l s t o r a g e b y l a t e n t h e a t u s i n g p h a s e c h a n g e m a t e r i a l s［J］. E n e r g y C o n v e r s i o n a n d Management，2004，45（2）：263～275.

［9］ 马芳梅. 相变物质蓄能建筑材料性质研究的进展［J］. 新型建筑材料，1997，（8）：40～42.

［10］ 周剑敏，张东，吴科如. 建筑节能新技术——相变储能建筑材料［J］. 新型建材，2003，（4）：10～12.

［11］ 秦培煌，周世权. 能源材料的研究现状及发展前景［J］. 节能，2002（5）：5～7.

Study of extruding processing and regulating temperature property of phase change wood plastic composites

Study of extruding processing and regulating temperature property of phase change wood plastic composites

Zhang Jianqun, Li Yong
(Shandong Tongjia Machinery Co., Ltd., Jining 272100, Shandong, China)

In this paper, phase change materials were introduced into wood-plastic composite materials. The paper studies the extrusion process, and the relationship between the surface temperature during heating and cooling process and time change, analyzes the result that the added phase change material slows the rate of temperature change, which gives a storage role to the wood-plastic composite.

phase change material; wood-plastic composite; extrusion; temperature regulation

TQ320.663

1009-797X（2015）22-0075-04

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.031

（R-03）

张建群，男，山东通佳机械有限公司董事长，总工程师，国务院政府特贴专家，中国塑料机械工业协会副会长，从事塑机、塑料工艺、高分子材料的研究开发和科研管理工作30多年。

2015-07-16