多元复合相变建筑墙体材料制备研究

王雪妮



多元复合相变建筑墙体材料制备研究

王雪妮

（杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100）

针对目前国家提出的节能减排要求，结合相变储能材料的特点，将相变材料掺入到传统的水泥砂浆混凝土中，制备一种新型的墙体节能材料。对此，为实现对新型节能材料的制备，选取月桂酸、石蜡、膨胀珍珠岩等作为原材料，采用物理融合法对复合材料进行制备；然后通过DCS热分析测试、调温能力试验、抗压强度测试等方法对制备的相变材料性能进行测试。通过上述的测试，得出随着相变材料添加量的增加，材料的调温性能逐步提高，其抗压强度逐步减小。由此得到，在墙体材料中应适当加入相变材料，可极大的提升墙体温控调节能力，达到节能减排的目的。

相变材料；物理融合；调温性能；抗压强度；节能减排

随着我国城市规模的不断壮大，对能源的消耗也日益加大，由此带来的能源短缺也影响着未来城市的发展。而在能源消耗中，建筑材料的消耗占到了社会总能耗的25%以上[1]。与此同时，在已经建成的建筑物中，其中的高耗能建筑又直接占到了全部建筑的95%以上[2]。由此看出，我国建筑行业高耗能、高污染等问题相当突出，而亟需加强对建筑行业环保技术的应用。而正是由于建筑行业的问题，加强绿色建筑、环保建筑等概念被逐步提出，并加强了对建筑节能材料的开发。相变材料可以通过物相之间的转换[3]，从而达到对能量的吸收和释放，最终完成对温度的调节，从而使得其开始逐步进入到公众的视野，受到广泛的关注，并成为目前专家和学者研究的新方向。与传统的建筑材料相比，相变材料在温度调节、耐久性等方面都有很强的优势。如将相变材料应用到室内，可提高室内问题的舒适性，而将相变材料投入到外墙保温材料中，可让整栋大量都能保持比较舒适的温度，让住户感受到冬暖夏凉，以此大大降低了对电能等的消耗，明显的提升了经济和社会效益，具有很高的研究价值。综上，本文提出一种相变墙体材料，并对其性能进行了测试，从而为相变材料的实际应用提供参考。

1 试验原材料

在对相变墙体材料进行制备中，以膨胀珍珠岩作为基础材料，然后分别加入石蜡和月桂酸相变材料。上述三种原材料的基本性能参数见表1-3。

表1 月桂酸基本性能

表2 石蜡相变材料基本性能

表3 膨胀珍珠岩主要成分

2 试验方法

2.1 DCS热性能测试

对相变材料的热性能分析，采用差示扫描量热计DSC，从而对制备好的相变材料温度、潜热以及热稳定性等进行全面的分析[4]。而本实验则采用升温的方式，其升温的速率保持在 10 ℃/min。具体步骤为：

1）取5份不同的样品，分别为含3%、5%、8%的复合相变材料的水泥砂浆、素水泥、含3%的膨胀珍珠岩的水泥砂浆；

2）将上述的样品加入到DSC仪器中，然后以每分钟10 ℃的速率升温，直到试样熔化；

3）通过绘制DSC图像，对其热稳定性等进行分析。

2.2 抗压强度测试

取上述的5块试样，大小为30 mm×30 mm×30 mm，利用抗压试验机对其进行抗压强度测试。计算公式为[5]：

=/（1）

其中：表示抗压强度；

破坏压力，N；

试件的承压面积，mm2。

2.3 调温能力试验

对相变材料来讲，其控温效果是其具备的一个重要性能[6]。对此，本文引入相变降温法和水浴测试法对加入相变储能材料的水泥试件进行测试，其中相变材料降温效果主要将3%、5%、8%等不等的含相变材料的水泥试件放入到60 ℃的烘箱中，从而查看烘箱中的温度变化情况，进而验证不同相变材料的降温效果；同时，采用水浴测试法对相变材料中温度-时间变化关系进行测试。具体方法为取一定量的相变材料，将其放入到烧杯中，逐步加热至60 ℃，在加热过程中，每10 s记录一次烧杯的温度变化。另外取一对照组，不加入相变材料。同时对其温度进行记录。

3 试验结果与讨论

3.1 DSC热性能测试结果

根据上述的分析方法，可以得到如下的热性能测试图（图1-4）。

图1 纯C12H24O2DSC 图像

图2 C12H24O2-膨胀珍珠岩复合相变材料DSC 图像

图3 纯石蜡DSC图像

图4 石蜡- 膨胀珍珠岩复合相变材料 DSC 图像

Fig.4 Paraffin and expanded perlite composite phase-change material DSC image

通过上述的结果可以看出，在采用纯月桂酸的相变储能材料中，其相变的温度为43.8 ℃，相变潜热则为170.4 J/g。而将月桂酸与膨胀珍珠岩物理融合制备的相变材料，其相变的问题为42.3 ℃，同时其相变的潜热123.5 J/g。由此，通过这组数据可以看出，经过复合后制成的相变材料，其在相变温度和相变焓方面都要比纯的月桂酸要低，造成上述的结果，可能与其在最佳吸附量有很大的关系。

同样，对纯石蜡和石蜡--膨胀珍珠岩复合相变材料之前在相变温度和潜热值方面存在着明显的区别，并且在50～60 ℃之间达到热峰。同时，通过对相变潜热的比较，发现其相变潜热值为纯石蜡相变潜热值的63%。由此我们可以推断，膨胀珍珠岩对石蜡的最佳吸附量大致在63%左右。造成上述问题的一个重要原因，是因为在石蜡中分布着烷烃，从而的导致其相变潜热的范围很广。

3.2 抗压强度测试

图5 抗压强度测试

为测试不同相变材料浓度下水泥试件的抗压强度，分别设置3%、5%、8%浓度的试件。而通过吴陶俊的研究认为，当掺入的相变储能骨料达到10%，其抗压强度则明显降低，并且有相变复合材料的析出。因此，针对该问题，选择上述的三种比例对水泥试件进行制备。而通过上述的制备，利用抗压测试仪对水泥试件抗压强度的测试，可以得到如图5所示的结果。

通过图5的结果可以看出，随着相变储能掺量的增加，水泥试件的整体抗压强度则明显降低。其中，石蜡--膨胀珍珠岩试件的抗压强度最小，而单纯的加入膨胀珍珠岩的水泥试件抗压强度，都要大于加入石蜡和月桂酸相变复合材料的抗压强度。因此，通过上述的结果可以看出，单纯的水泥试件和加入膨胀珍珠岩的水泥试件，其强度都要明显高于加入复合储能相变材料等水泥试件，其最为主要的原因则是在加入石蜡或月桂酸后，上述两种物质在温度增加的情况下，其可以从固-液的转换，在一定程度上降低了水泥试件的强度；同时，在研究中发现，掺入膨胀珍珠岩的试件的抗压强度比单纯的水泥试件的强度低9%，差距不大，而掺入其他相变储能材料的抗压强度与单纯的水泥试件相比，其抗压强度相差较大，其最为主要的原因是膨胀珍珠岩为多孔材料，其呈现为蜂窝状，从而在一定程度影响了水泥试件的强度；另外，通过上述的分析看出，掺入月桂酸-膨胀珍珠岩相变材料的水泥试件的抗压强度要高于掺入石蜡复合相变材料的水泥试件，其可能的原因是月桂酸与石蜡相比，石蜡随着温度的升高，其变化越快。

同时，对两复合储能相变材料进行挤压的过程中，都未出现渗漏，从而可以看出上述相变材料都具有很好的稳定性，并证明月桂酸-膨胀珍珠岩复合相变材料的抗压强度比石蜡－膨胀珍珠岩复合相变材料更好。

3.3 调温性能测试

利用降温法测得其水泥试件对周围的温度的影响[7,8]，具体见表4所示。

表4 不同浓度下的烘箱温度变化

通过上述的分析可以看出，掺入月桂酸的复合相变材料在不同浓度下的温差最大，其次为石蜡复合相变材料。由于可以看出，掺入月桂酸的水泥试件其吸热能力要大于石蜡储能材料，也证明了上述两种复合相变材料都具有非常明显的控温性能。

通过图6看出，当温度在43~44 ℃的时候，掺入月桂酸的复合材料中有一段水平线，是因为在这个温度下，相变材料吸收了大量的热量，从而使得其温度没有出现大的变化，而石蜡基本都呈现递减的趋势。由此，证明月桂酸相变材料的相变潜热要大于石蜡相变储能材料。

图6 温度-时间关系

4 结束语

通过上述的研究看出，以月桂酸、石蜡等为代表的的有机相变材料都具有很好的调温作用，但是通过对比发现，月桂酸复合相变材料的调温效果要好于石蜡复合相变材料。造成上述的原因与月桂酸和石蜡各自的物质性能有很大关系。

［1］ 张立明,邹志荣,陆国东,乔正卫. 温室墙体复合相变材料的制备与有限元分析[J]. 农机化研究,2008,04:158-160+170.

［2］ 闫全英,吴生俊,金丽丽. 被动式蓄热相变墙体热工性能的研究[J]. 新型建筑材料,2014,11:17-20.

［3］ 刘杰胜,刘科,吴月,朱蓉洁,李仕洪,黄旭,董莪,李继祥. 月桂酸-膨胀珍珠岩相变墙体材料基本性能研究[J]. 砖瓦,2015,03:16-18.

［4］ 杨晟,许勇铁,由英来. 泡沫石墨/石蜡复合相变储热材料的调温隔热性能[J]. 材料科学与工程学报,2012,04:547-550.

［5］ 袁艳平,白力,牛犇. 墙体相变材料的研究现状与发展趋势[J]. 材料导报,2010,01:129-132+141.

［6］ 袁艳平,向波,曹晓玲,张楠,孙亮亮. 建筑相变储能技术研究现状与发展[J]. 西南交通大学学报,2016,03:585-598.

［7］ 张明杰,秦孟昊,陈智. 复合相变调湿材料对室内热湿环境影响的研究[J]. 建筑科学,2016,12:72-79.

［8］ 汪振双,焦玉麟,赵宁,赵一健. 相变材料墙体使用阶段的碳排放评价[J]. 沈阳大学学报(自然科学版),2015,03:247-250.

Study on Preparation of Multi-element Composite Phase-change Building Wall Materials

（Yangling Vocational & Technical College, ShaanxiXianyang712100，China）

According to the requirements of energy conservation and emission reduction in China, combined with the characteristics of phase-change material, the phase-change material was incorporated into the traditional cement mortar concrete to prepare a new type of wall material. In this regard, for preparation of a new kind of energy-saving material, lauric acid, paraffin and expanded perlite were used as raw materials, the composite material was prepared by the method of physical fusion; and then the performance of the prepared phase-change material was tested by DCS thermal analysis, durability test and compressive strength test method. Through the above test, it's concluded that, with the increase of the phase change material dosage, the temperature regulating property of the material increases gradually, but the compressive strength decreases gradually. Therefore, the phase-change material should be properly added in the wall material, which can greatly improve the wall temperature control ability and achieve the purpose of energy saving and emission reduction.

Phase change material;Physical fusion;Temperature regulation; Compressive strength;Energy saving and emission reduction

TU502

A

1671-0460（2017）10-2034-04

2017-04-23

王雪妮（1984-），女，陕西富平人，讲师，硕士研究生。2011年毕业于西安建筑科技大学安全技术及工程专业，研究方向：从事建筑施工及安全管理工作。E-mail：wangxueni984@126.com。