十八烷微胶囊/石膏板复合相变材料的性能研究

魏婷，许芳芳，叶志林，郑柏存

（华东理工大学 体育新材料研发中心，上海　200237）



十八烷微胶囊/石膏板复合相变材料的性能研究

魏婷，许芳芳，叶志林，郑柏存

（华东理工大学 体育新材料研发中心，上海200237）

摘要：表征了几种相变石膏板的力学性能和储能性能。结果表明：当十八烷微胶囊含量在0～13.6%时，相变石膏板的力学性能均能符合GB/T 9776—2008要求；当十八烷微胶囊含量为13.6%时，相变石膏板的抗折强度为3.3MPa、抗压强度为3.6MPa、熔融温度为26.9℃、熔融焓为10.41 J/g、标准温度阻尼率为0.91，并且耐久性能良好。

关键词：十八烷微胶囊；相变石膏板；热性能；力学性能

0　前言

20世纪70年代末以来，我国建筑能耗总量在能源消耗总量中所占的比例从10%上升到27.6%［1］，这个比例还在继续增长，在全球能源危机的大背景下，注重建筑节能具有紧迫性和战略性。近年来，科学工作者将相变储能材料（PCM）与传统建筑材料复合，制成环保型相变储能建筑材料（phase change building materials，PCBM），将能量以相变潜热的形式进行贮存，实现能量在不同时间、空间位置之间的转换，以达到减少室内温度波动，提高舒适度，节省制冷和采暖费用的作用［2-8］。2014年7月发改委发布的《国家重点推广的低碳技术目录》提倡多能源互补的分布式能源技术，建议使用相变储能材料。同年11月，国家发改委、财政部、工信部联合印发的《关键材料升级换代工程实施方案》中更是明确指出将相变石膏板列入国家关键升级换代产品。因此，本研究讨论适合人体热舒适性的十八烷微胶囊/石膏板复合相变材料具有重要的现实意义。

本文采用共混法制备含有十八烷微胶囊的相变石膏板，讨论了十八烷微胶囊对相变石膏板力学性能和储热性能的影响规律，同时还研究了相变石膏板的熔融结晶曲线特征和耐久性。

1　实验

1.1原料

十八烷相变微胶囊，实验室自制，平均粒径0.2μm，相变温度27.5℃，相变焓109.0 J/g；半水石膏：上海埃比建筑材料有限公司。

1.2相变石膏板的制备

将十八烷微胶囊与半水石膏用水混合均匀，迅速倒入160mm×40mm×13mm模具中，十八烷微胶囊含量分别为0、5.3%、7.5%、11.1%、13.6%和17.7%（以半水石膏质量为基准）。2 h后拆模，并将相变石膏板置于烘箱干燥至恒重。

1.3相变石膏板的性能测试与表征

力学性能表征：参照GB/T9776—2008《建筑石膏》，在压力试验机（YAW-300C）上对标准样块进行测试，每个样品平行3次。

DSC表征：取5～10 mg相变石膏于差示扫描量热仪（DSC-8000，德国PerkinElmer公司）中测试相变温度和相变焓，测试条件：氮气氛，温度范围为-20～60℃，升温速率为10℃/min。

储/放热性能测试：将热电偶置于石膏板内，石膏板在40℃的烘箱内保持恒温，然后迅速取出置于5℃冷环境中，每间隔20s采集1次温度数据，记录温度-时间曲线。当石膏板温度稳定于5℃后，再将其迅速取出放入40℃的烘箱，记录升温过程中的温度-时间曲线。

冷热循环实验：采用上述储/放热实验方法进行300次循环实验来测试相变石膏板的耐久性。

2　结果与分析

2.1微胶囊含量对相变石膏板力学性能的影响（见图1）

从图1可以看出，随着相变微胶囊的加入，相变石膏板强度逐渐降低，其中抗压强度呈线性下降，相关线性方程为y= 8.55-0.359x，相关系数为0.9968。抗折强度也随着微胶囊含量的增加而降低，当微胶囊含量从5.3%增加到13.6%时，抗折强度在3.3～3.7MPa间浮动，继续增加微胶囊含量至17.7%，相变石膏板的抗折强度下降明显，但仍符合GB/T 9776—2008 中1.6等级要求。增加微胶囊含量导致石膏板强度下降的原因在于，石膏板中起胶凝作用的石膏体积分数逐渐减小。

2.2相变石膏板的DSC表征（见图2）

从图2可以看出，不同微胶囊含量的相变石膏板均具有储放热功能，熔融过程中曲线显示为单峰，此时熔融温度为（26.6±0.5）℃，熔融焓随微胶囊含量的增大而线性增加，当微胶囊含量为13.6%时，熔融焓达到10.41 J/g。结晶曲线显示为双峰，且随着微胶囊含量的增大相变石膏板焓值和其β峰结晶温度都逐渐增加，其中β峰结晶温度分别为14.1、15.3、 16.8和17.1℃，α结晶峰温度值基本不变，为（21.5±0.7）℃，结晶焓值分别为2.52、5.07、6.70和9.71 J/g。参照我国民用建筑舒适性温度为16～26℃，显然此相变石膏板温度合适。若相变石膏板密度为968 kg/m3，则微胶囊含量为13.6%时，1m×1 m×0.013m的相变石膏板能提供约130kJ的热量。

2.3相变石膏板储放热性能

选用微胶囊含量为13.6%的相变石膏板进行储放热性能研究，结果见图3。

图2　相变石膏板的DSC曲线

图3　相变石膏板和普通石膏板的储放热曲线

从图3（a）升温曲线可以看出，当石膏板温度低于23℃时，2种石膏板升温速率相同，当温度达到26～30℃时，相变石膏板与普通石膏板相比出现明显的温度滞后现象，此时相变材料在石膏板内发生固液相转变，当相变过程完全结束后，2种石膏板最终都与环境温度达到平衡。放热过程与储热过程相反。从图3（b）放热曲线可以看出，从30℃开始相变石膏板的降温速率明显降低，整个降温过程中最大温差可以达到5.4℃。

相变石膏板的这种储放热性能使石膏板具有一定的节能效果，艾明星和曹力强［9］提出，使用标准温度阻尼率r分析节能系统内舒适温度的持续时间与节能量之间的关系。式中：τ1—相变石膏板从25℃降到16℃所需的时间，min；

τ2—普通石膏板从25℃降到16℃所需的时间，min。

表1显示若使用相变石膏板室内热舒适性持续时间增加近1倍，进而降低空调的使用时间以达到节能的目的。

表1　标准温度阻尼率

2.4相变石膏板的耐久性

石膏板耐久性能是判断其实际使用价值的重要指标之一，因此这里对相变石膏板进行了冷热循环试验。循环300次后相变石膏板外观完整，表面光洁无油渍，它的储热性能用DSC曲线表征（见图4）。

图4　300次冷热循环后相变石膏板的DSC曲线

从图4可以看出，十八烷微胶囊含量为13.6%时，经300次冷热循环后，相变石膏板的储放热曲线没有明显变化，熔融温度温度为26.9℃，熔融焓为9.82 J/g，结晶温度为22.2℃，结晶焓为9.21J/g。这些数据与循环之前的数据相差不大，说明此相变石膏板耐久性能良好。

3　结论

（1）随着相变微胶囊含量的增加，相变石膏板的抗压强度和抗折强度均下降，当微胶囊含量增加到13.6%时，仍然符合GB/T9776—2008中1.6等级的要求。

（2）DSC曲线显示所有相变石膏板均具有储放热功能，其熔融温度为（26.6±0.5）℃，熔融焓随微胶囊含量的增大而线性增加。结晶曲线显示双峰，结晶焓也随着微胶囊含量的增大而增加。

（3）当微胶囊含量为13.6%时，相变石膏板与普通石膏板的最大温差能达到5.4℃，标准温度阻尼率为0.91，并且表现良好的耐久性能。

参考文献：

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［3］ Arid M M，Khudhair A M，Razack S，et al．A reviewon phase changeenergystorage：materialsandapplications［J］．Energy Convers．Manage．，2004，45：1597-1615.

［4］Yagi J，Aldyama T．Storage of thermal energy for effective use of waste heat from industries［J］．J．Mater．Processing Tecnol.，1995，45：793-804.

［5］郭恒，郑洁，钱杰，等.我国建筑节能现状及其应对措施［J］.技术交流，2008，122（29）：59-61.

［6］侯春光.相变材料在建筑节能中的应用综述［J］.硅谷，2008（3）：60-61.

［7］ Suppes GJ．Goff MJ．Lopes S．Latent Heat Characteristics of FattyAcidDerivativesPursuantPhaseChangeMaterial Applications［J］．Chemical Engineering Science，2003，58：1751-1763.

［8］He B，Martin V，Setterwall F．Phase Transition Temperature Ranges and Storage Density of Paraffin Wax Phase Change Materials［J］．Energy，2004，24：1785-1804.

［9］艾明星，曹力强.相变蓄能建筑材料的节能评价研究［J］.建筑节能，2008，36（4）：40-44.

中图分类号：TU111.4

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0095-03

收稿日期：2015-11-12

作者简介：魏婷，女，1982年生，湖北钟祥人，助理研究员，主要从事相变节能材料的制备、表征与应用。

Performances study on the phase change plasterboards with octadecane microcapsules

WEI Ting，XU Fangfang，YE Zhilin，ZHENG Baicun
（Research&Development Center for Sports Materials，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

Abstract：Several properties of the phase change plasterboards were tested in this study.The results show that when the octadecane microcapsule content is 0～13.6%，all the phase change plasterboards can meet the national standard GB/T 9776—2008. Whenthe microcapsules content is 13.6%，the properties of the plasterboards showthe flexural strengthwith3.3 MPa，the compressive strength with 3.6 MPa，the melting temperature with 26.9℃，the melting enthalpy with 10.41 J/g，and the standard temperature damping rate with 0.91.The durability is good.

Key words：octadecane microcapsules，phase change plasterboard，thermal performance，mechanical properties