定形脂肪酸的配制及热性能的研究

闫全英，刘莎，张林，王随林

（北京建筑大学环境与能源工程学院，北京市供热供燃气通风及空调重点试验室，北京 100044）

定形脂肪酸的配制及热性能的研究

闫全英，刘莎，张林，王随林

（北京建筑大学环境与能源工程学院，北京市供热供燃气通风及空调重点试验室，北京 100044）

配制了癸酸分别与肉豆蔻酸、月桂酸、棕榈酸和硬脂酸混合得到的4种脂肪酸混合物以及液体石蜡与月桂酸混合而成的相变材料混合物，并以高密度聚乙烯为支撑材料，添加50%～90%的相变材料制备了定形相变材料。利用差示扫描量热仪实验研究了5种定形脂肪酸混合物的相变温度、相变潜热、均匀性与稳定性，旨在寻找适合相变墙体储能用的定形相变材料。结果表明：定形相变材料的相变温度和相变潜热与脂肪酸的组分及含量有关，定形相变材料中脂肪酸的最佳含量为70%；定形脂肪酸相变材料的均匀性和稳定性较好，适合在相变墙体中使用。

定形相变材料；脂肪酸；相变温度；相变潜热

0 引言

固液相变材料在应用时为防止液体泄漏需容器对材料进行封装，因此增加了相变材料与传热介质间的热阻、增加了封装成本、降低了传热效率。把固液相变材料与支撑材料混合可制备定形相变材料。定形相变材料中相变材料与支撑材料的配制比例对于定形相变材料在实际储能领域的应用具有重要意义。脂肪酸的优点是相变潜热大、相变过程中体积变化小、易与建筑材料融合、凝固时无过冷现象，且价格低廉，被广泛应用于储能领域。将相变温度合适的脂肪酸二元或多元混合物与高分子支撑材料按一定比例混合制成定形相变脂肪酸，再以适当方式填加到墙体中，是脂肪酸在墙体储能领域应用的理想选择。

Ahmet等[1]研究了脂肪酸类相变材料的传热过程，并将其应用于太阳能储能领域。Sari等[2-6]研究了定形脂肪酸及其加入添加物后材料的热储存性能。付路军等[7]研究了以二氧化硅为定形材料与二元低共熔脂肪酸混合物的物理特性。张林[8]研究了脂肪酸二元混合物的储热性能，并制备了定形脂肪酸，研究其热性能和力学性能。梁辰[9]将石蜡与高密度聚乙烯混合，研究了其在相变墙体中的应用。李凤艳等[10]采用均匀设计和优化的方法对十水硫酸钠相变储能材料在使用过程中出现的过冷和结块问题进行了分析研究，并得出无过冷结块现象且储热性能好的最佳实验配方。王庆华等[11]以高密度聚乙烯为支撑材料，实验研究了复合相变石蜡的最佳配比，并对其在建筑空心砌块墙体中的传热性能进行了测试分析。何丽红等[12]以聚乙二醇/二氧化硅（PEG/SiO2）定形相变材料与沥青、水泥为原料，制备出沥青或水泥复合定形相变材料。曾令可等[13]采用十酸和十二酸作为相变材料，与二氧化硅混合制备复合相变蓄热材料，并选取石膏板为基体制备了具有合适相变温度和较好相变潜热的相变储能石膏板。蒋晓曙等[14]实验研究了密胺树脂的固含量、三聚氰胺-甲醛的摩尔比对石蜡-密胺树脂微胶囊相变材料的储热性能、表观形貌及包裹效率的影响。

本文选取5种脂肪酸类相变材料，通过研究其与高密度聚乙烯配制成的定形相变材料的相变温度、相变潜热、均匀性和稳定性，验证将其应用于墙体中的可行性，为相变墙体的制备和实验研究提供依据。

1 实验

1．1 主要实验仪器设备

差示扫描量热仪（DSC）：200PC型量热仪，德国耐驰公司；分析天平；红外测温仪：HT6885型；暖风机：HP2009型；等。

DSC采用液氮进行冷却，保护气和吹扫气均采用高纯氮，保护气体流速为60 ml/min，吹扫气流速为20 ml/min。实验过程中温度的控制范围为－90～150℃。采用液氮把试样冷却到较低温度，然后开始升温，观察材料的熔化过程。升温速率为15℃/min。

1．2 实验材料和样品

癸酸（CA）、硬脂酸（SA）、棕榈酸（palmitic acid，PA）、月桂酸（LA）、肉豆蔻酸（MA）、液体石蜡（LP），北京试剂公司；高密度聚乙烯（HDPE），北京展辰化工有限公司。

实验中按不同质量比配制的脂肪酸相变材料混合物为：30%癸酸-70%肉豆蔻酸（CA-MA）、20%癸酸-80%月桂酸（CA-LA）、80%癸酸-20%棕榈酸（CA-PA）、70%癸酸-30%硬脂酸（CA-SA）、60%液体石蜡-40%月桂酸（LP-LA），把5种相变材料分别按50%、60%、70%、80%、90%的质量百分比与高密度聚乙烯混合制成25种定形相变材料试样。试样编号及试样中相变脂肪酸材料的质量百分含量如表1所示。

表1 定形相变材料试样的编号及相变材料含量

1.3 定形相变材料的制备方法

按预先设定的质量配比，用分析天平分别称量各组分，放入容器中。之后置于马弗炉中于150℃加热1 h。待脂肪酸混合物熔化后取出，搅拌至混合均匀。在空气中自然冷却至凝固，制备成脂肪酸二元混合物。再分别将所制备的脂肪酸二元混合物按50%～90%的质量比与高密度聚乙烯混合后，放入不锈钢容器中，然后放进马弗炉中加热，马弗炉设定温度为200℃，加热时间为1 h。当混合物全部熔融后，取出用玻璃棒搅拌均匀，在空气中自然冷却降温。之后再放入马弗炉加热融化，取出搅拌，冷却。反复3次，以保证相变材料与高密度聚乙烯充分均匀混合，制成定形相变材料试样。

2 实验结果和分析

2．1 定形相变材料的热性能

用差示扫描量热仪（DSC）测试25种定形相变材料的相变温度和相变潜热，旨在寻找相变温度适宜、相变潜热较大的定形相变材料的合理配比。每种试样均取3组试件，取算术平均值，测试结果如图1和图2所示。

图1 定形相变材料的相变温度

图2 定形相变材料的相变潜热

从图1可以看出，随着定形相变材料中相变材料比例的增加，定形相变材料的相变温度略有上升，在脂肪酸含量从50%增加到90%时，定形相变脂肪酸的相变温度增加值达10%左右。

从图2可以看出，定形相变脂肪酸的相变潜热随脂肪酸含量的增加近似呈线性增加。在脂肪酸含量从90%降到50%时，定形相变脂肪酸的相变潜热减小50%左右。

2．2 定形相变脂肪酸的最佳配比

定形相变材料中脂肪酸的含量越多，材料的相变潜热越大，蓄热效果越好。但如果脂肪酸含量过多，高密度聚乙烯就起不到支撑封装的作用，容易出现相变材料的泄露。因此，研究定形相变材料中相变材料的最佳比例尤为重要，既能保证最佳蓄热效果，又能保证不发生泄露。

本实验采用暖风机对每种定形相变材料进行加热，并用红外射温仪测试定形相变材料的表面温度变化，当表面温度达到或超过它的相变温度时，观察定形相变材料的变化。实验结果显示：定形相变材料中脂肪酸含量为50%～70%时，当温度升高到相变温度后，定形相变材料表面无液体析出，相变材料封装效果很好；脂肪酸含量为80%时，有细微液体析出但不明显，封装效果较好；而当脂肪酸含量达到90%时，已有明显的液体渗出，相变材料封装效果不好。不同脂肪酸含量定形相变材料受热后的形态如图3所示。

图3 定形相变材料的封装效果实验

2．3 试样的均匀性

取2组定形相变材料试样，其中相变材料分别为30%癸酸-70%肉豆蔻酸和60%液体石蜡-40%月桂酸，相变材料和支撑材料的质量比为7∶3，以保证最好的密封效果。在2个试样的4个不同部位取少量材料，用DSC测试其相变温度和相变潜热。实验结果如图4和图5所示。

图4 定形相变材料不同部位相变温度

图4和图5显示，同一试样在不同部位的相变温度和相变潜热相差很小，表明所配制的定形相变材料中脂肪酸的分布是均匀的。

图5 定形相变材料不同部位相变潜热

2.4 试样的稳定性

取以上2种试样放在40℃电炉中加热，然后取出在20℃环境中冷却，进行重复吸放热实验，研究材料热性能的稳定性，分别测得10、20、30、50、100次吸放热后相变材料的相变潜热和相变温度。实验结果如图6和图7所示。

由图6、图7可见，这2种定形材料的相变温度在多次吸放热之后基本不变，相变潜热在多次吸放热之后变化很小，定形相变材料的稳定性较好。

图6 定形相变材料多次循环后的相变温度

图7 定形相变材料多次循环后的相变潜热

3 结语

（1）定形脂肪酸的相变潜热随脂肪酸含量近似呈线性变化，当脂肪酸含量从90%降低到50%时，定形脂肪酸的相变潜热减少50%左右；定形脂肪酸的相变温度随脂肪酸含量的增加而升高，当脂肪酸含量从50%增加到90%时，定形脂肪酸的相变温度升高10%左右。

（2）定形相变材料中脂肪酸含量在50%～70%时，相变材料封装效果很好；同时考虑储热要求，定形脂肪酸中相变材料的最佳含量为70%。

（3）定形脂肪酸中相变材料分布均匀；在100次吸热放热循环后，相变温度和相变潜热变化小，定形脂肪酸的稳定性好。

[1]Ahmet Sary.Thermal reliability test of some fatty acids as PCMs used for solar thermal latent heat storage applications[J].Energy Conversion and Management，2003，44：2277-2287.

[2]Sari A，Kaygusuz K.Poly（vinyl alcohol）/fatty acid blends for thermal energy storage[J].Energy Sources，Part A，2007，29（10）：873-88.

[3]Sari A，Cemil Alkan，Ugur Kolemen，et al.EudragitS（methyl methacrylate methacrylic acid copolymer）/fatty acid blends as formstable phase change material for latent heat thermal energy storage[J].Journal of Applied Polymer Science，2006，101（3）：1402-1406.

[4]Sari A，Ugur Kolemen.Preparation，characterization and thermal properties of styrene maleic anhydride copolymer（SMA）/fatty acid composites as form stable phase change materials[J].Energy Conversion and Management，2008，49（2）：373-380.

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[6]Karaipekli A，Sari A.Preparation，thermal properties and thermal reliabilityofpalmiticacid/expandedgraphitecompositeas form-stable PCM for thermal energy storage[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2009，93（5）：571-576.

[7]付路军，董发勤，杨玉山.二元脂肪酸/SiO2复合相变储能材料的制备与表征[J].功能材料，2013，44（4）：548-551.

[8]张林.脂肪酸混合物的配制及其定形相变墙体的实验研究[D].北京：北京建筑工程学院，2010.

[9]梁辰.相变储能材料的选择配制及其在墙体中的应用研究[D].北京：北京建筑工程学院，2009.

[10]李凤艳，袁亚东，杨雅君，等.相变储能材料在建筑节能材料上的应用研究[J].新型建筑材料，2014（7）：86-91.

[11]王庆华，王荣晖，汪纯鹏，复合相变石蜡空心砌块墙体的保温性能研究[J].新型建筑材料，2014（5）：56-59.

[12]何丽红，李菁若，曹长斌，等.PEG/SiO2定形相变材料在沥青及水泥环境中应用的可行性[J].新型建筑材料，2013（8）：28-31.

[13]曾令可，王慧，程小苏，等.相变储能石膏板制备和性能的研究[J].新型建筑材料，2012（12）：27-29.

[14]蒋晓曙，周世界，陆雷，等.石蜡-密胺树脂微胶囊相变材料制备与性能研究[J]，新型建筑材料，2013（5）：37-41.

Research on preparation and thermal storage property of the shape-stabilized fatty acid

YAN Quanying，LIU Sha，ZHANG Lin，WANG Suilin
（Beijing Municipality Key Lab of Heating，Gas Supply，Ventilating and Air Conditioning Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China）

In the paper，four kinds of fatty acid binary mixtures and liquid paraffin and lauric acid binary mixture were prepared.Fatty acid binary mixtures were made of capric acid and myristic acid，lauric acid，palmitic acid and stearic acid.Highdensity polyethylene was used as supporting material with 50%～90%phase change materials to prepare the shape-stabilized phase change materials.The phase change temperatures，the phase change latent heats，the uniformity and stability of the 5 kinds of shape-stabilized phase change materials were studied experimentally by using differential scanning calorimeter（DSC），the aim was to find suitable phase change materials for phase change wall energy storage.The results showed that the phase change temperatures and the phase change latent heats were related to the components and contents of fatty acids.The optimum content of fatty acid in the shape-stabilized phase change material was 70%.The homogeneity and stability of the shape-stabilized fatty acid phase change materials were better，and they are suitable for use in phase change wall.

shape-stabilized phase change material，fatty acid，phase change temperature，phase change latent heat

TU53；TK02

A

1001-702X（2016）12-0087-04

北京市自然科学基金资助项目（3122012）；

北京市教委科技创新能力提升计划项目

（PXM2016_014210_000016）

2016-05-05；

2016-06-06

闫全英，女，1970年生，河北宣化人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事相变材料储能的研究。