相变材料的研究进展及应用

王迎斌,张海峰,贺行洋,肖虎成

(湖北工业大学土木建筑与环境学院,武汉430068)

随着人口剧增和国民经济的快速发展,人类社会对能源的需求日益增大和传统化石能源的枯竭,能源危机日趋严重。解决能源危机的途径主要有开发可再生新能源和提高能源利用率两大类。可再生新能源主要包括太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能等。但是可再生新能源存在分布不均匀、地区差异大、开发成本高等缺陷,限制了进一步的开发与利用,因此提高能源利用率显得尤为重要。相变材料(Phase Change Materials)又称相变储能材料,自身不产生任何形式的能量,通过相态变化实现外界环境中多余热量的存储与释放[1],为提高能源利用率提供了新途径。

1 相变材料的分类

相变材料的分类有三种,第一种按相变形式划分,分为固-固、固-液、固-气、液-气相变材料。固-气、液-气相变材料由于相变前后体积变化较大,需要特定的容器进行封装,同时易发生气体泄漏等现象,因此实际应用较少。而固-固、固-液相变材料在相变过程中体积变化较小,因此成为了研究的热点。第二种按相变温度进行分类,可分为低温相变材料(＜20 ℃)；中温相变材料(20～250 ℃)；高温相变材料(＞250 ℃)。第三种按照材料的化学组成可分为无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料三大类。

1.1 无机相变材料

无机相变材料主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等。由于结晶水合盐类相变材料的高相变潜热、高导热系数、储能密度大、化学性能稳定、成本低廉等优点[2],因此在工业废热余热回收、保温节能建筑等领域得到了广泛的应用。但存在过冷、相分离、相变循环稳定性差等缺陷。目前对水合盐类相变材料的研究主要集中在降低过冷度、解决相分离、相变循环稳定性、改变相变温度等方面。

乔英均等[3]以羧甲基纤维素(CMC)为增稠剂,Na2CO3·10H2O 为成核剂,制备了Na2S2O3·5H2OCH3COONa·3 H2O 相变材料,其过冷度减小到4.9 ℃,经历50次熔化-凝固循环后,其稳定性良好。徐玲玲等[4]以20%Na2HPO4·12H2O+80%Na2SO4·10H2O 制备了低共熔相变材料,相变温度为28～29 ℃,基本上消除了过冷和分层现象。

1.2 有机相变材料

有机相变材料可分为石蜡类和非石蜡类。非石蜡类有机相变材料主要包括脂肪酸、多元醇、酯和某些聚合物等。石蜡类有机相变材料的优点:相变潜热高、无过冷和相分离现象、化学性能稳定、无腐蚀性等,但存在导热系数低、相变前后体积变化明显等缺陷。为了改善石蜡类相变材料的导热性能。可采用翅片结构、组合和复合相变材料、微胶囊封装等方法。海彬等[5]以石蜡为芯材,壳聚糖和阿拉伯胶为壁材,发现当p H=4.5时,芯壳比为1.5∶1,交联剂剂量为2 m L,制备的相变储能胶囊的包覆率和包覆效率最佳,分别为52.84%和56.27%。徐永峰等[6]通过将低熔点、高导热系数的金属钠和石蜡复合制备了新型复合相变材料,实验发现5%Na+95%Paraffin相变储能材料的导热系数较纯石蜡增加17.6倍,储热和放热速率对比纯石蜡增大了一倍。200次相变循环,3%Na+97%Paraffin复合相变材料的相变潜热和相变温度的变化幅度仅为3.7%和1.5%,热学稳定性良好。

1.3 复合相变材料

复合相变材料可以克服单一无机和有机相变材料的缺陷,因此在建筑节能、太阳能、农业、航天、物流运输等领域有着广泛的应用前景。复合相变材料的主要制备方法有溶胶凝胶法、熔融浸渍法、多孔基吸附法、界面聚合法、原位聚合法、高分子聚合法等。程璐璐等[7]以氨基树脂为壁材,相变蜡、十二醇和正十八烷作为相变芯材,通过原位聚合法制备了微胶囊相变材料,结果表明:乳化剂用量为8%,十二醇-氨基树脂微胶囊的相变潜热为61.3 J/g,相变温度为23.09 ℃,在200 ℃高温时,微胶囊热稳定性仍然较好。王迎辉等[8]以肉豆蔻酸(MA)和正辛酸(OA)为基液,采用多孔材料膨胀石墨(EG),制备了一种可以应用于医药冷藏运输系统的复合相变材料,相变温度仅为6.8 ℃,相变潜热高达136.3 J/g,100次蓄放冷循环后,MA-OA/EG复合相变材料的相变潜热、相变温度变化幅度均较小。

2 相变材料的应用

2.1 在建筑节能领域的应用

受能源危机、节能环保的影响,相变储能材料在建筑节能领域受到了研究学者们的广泛关注。相变储能材料在建筑节能领域被广泛应用于墙体、混凝土和储能地板等。聂志远等[9]以月桂酸为相变材料,膨胀石墨为相变载体,制备了月桂酸/膨胀石墨复合相变材料。将复合相变材料掺入到混凝土中制备得到相变混凝土。研究发现:在保证混凝土力学性能的前提下,月桂酸/膨胀石墨复合相变材料的掺加显著提高了混凝土的导热性能。冯国会等[10]以葵酸为相变材料、太阳能热水为热源,设计了一整套相变储能地板热水采暖系统。在系统正常运作时,室内温度基本上都会高于相变储能地板热水采暖系统室内温度设计值15 ℃,蓄放热性能良好,能够满足非连续能源采暖的需求。

2.2 在太阳能领域的应用

太阳能是一种无污染、节能环保的可再生能源,但容易受到昼夜、季节、地理条件等的限制,从而制约了太阳能的进一步利用。利用相变材料蓄热储能的特性,可以很好的克服太阳能不稳定和间歇性的缺陷。相变材料在太阳能发电、太阳能采暖系统、太阳能热水系统等有着广泛地应用。雷永康等[11]以石蜡为相变蓄热材料、制备了一种用于散热器供暖系统的石蜡-膨胀石墨复合相变材料,发现3.0%质量分数的膨胀石墨使得复合相变材料蓄放热时间缩短了一半。阚荣强等[12]设计了一套适用于高原地区的蓄热采暖系统,以相变蓄热板为蓄热载体,测试发现相变房间的夜间温度较普通房间高出2～3 ℃。

2.3 在农业领域的应用

相变材料在农业上最典型的应用就是温室。杨小龙等[13]以十二水磷酸氢二钠为相变材料,制备了一种用于温室的相变墙板。研究发现:相变墙板在晴天时的最高温度较对照组低2.7 ℃、最低气温高1.5 ℃,平均温度高1.2 ℃。陈超等[14]以石墨、石蜡、高密度聚乙烯为基材,将制备的复合相变蓄热材料应用于温室大棚北墙内表面,相较普通温室大棚,相变温室大棚白天的空气温度低2 ℃左右,夜间相变温室大棚的空气温度高出约6 ℃,实现了太阳能时间转移,夜间利用的目的。

3 结 论

当前相变储能材料在建筑节能、太阳能、农业、航天、物流运输、移动通信等领域都有着广阔的应用前景,但是绝大多数研究都集中在实验室和数值模拟,距离大规模的工业化还有很长的一段路要走。目前相变材料存在的主要问题有耐久性、经济性、功能性等。耐久性的问题表现为多次循环后相变材料热物性能的退化；经济性的问题是相变材料的生产成本过高；功能性的问题是相变材料功能单一。而复合相变材料融合了无机和有机相变材料的优点,因此复合相变材料是未来研究的重点方向。未来相变材料的研究可以从以下几点展开。

a.深入探究相变材料热物性能退化的机理,开发出高相变潜热、高导热系数、相变温度合适、热物性能稳定的复合相变材料。

b.进一步寻找低碳环保、原料易得、储量丰富、价格低廉的相变材料,简化制备工艺和生产流程。进一步降低复合相变材料的生产成本,拓宽复合相变材料的应用领域。

c.拓宽复合相变材料的功能,如在建筑领域可进一步开发防水、保温、调湿等多功能复合相变材料,实现结构-功能一体化。在物流运输领域可发展多温协同配送技术,实现不同温度产品的同时配送。