基于建筑节能的复合相变高分子蓄热材料制备研究

张妹荣

(河北工业职业技术学院宣钢分院，河北 张家口075100)

随着我国城镇化建设的不断发展，建筑能源需求越来越大，如何提高能源利用效率已经成为建筑企业十分重要的研究课题之一。复合相变高分子蓄热材料属于一种化学蓄热技术，具有无污染、蓄热密度高等特点，针对化学蓄热材料进行重点研究，有助于建筑节能材料的改良与优化，提高建筑物的节能性能[1-4]。

1 十八烷/膨润土复合相变材料制备

1.1 实验材料

C15H38（郑州阿尔法化工有限公司），分析纯（廊坊鹏彩精细化工有限公司），十八烷（上海麦克林生化科技有限公司），有机改性膨润土（建平佳鑫矿业有限公司）。

1.2 实验仪器

电热鼓风干燥箱（南京沃环科技实业有限公司），数显恒温水浴锅（上海赫田科学仪器有限公司），精密电子天平（青岛聚创环保集团有限公司）。

1.3 制备方法

通过熔融插层法对十八烷/膨润土复合相变材料进行制备；首先在烧杯中加入一定量的十八烷，用酒精灯加热，待十八烷处于熔融状态下后再于烧杯中加入一定量的有机改性膨润土，在添加的过程中用玻璃棒不断搅拌，最终获取十八烷/膨润土复合相变材料[5-8]，详细实验参数见表1。

表 1 十八烷/膨润土复合相变材料制备参数Table 1 Preparation Parameters of octadecane / bentonite composite phase change materials

1.4 分析方法

通过DSC测试来分析十八烷的相变潜热与相变温度，所使用的仪器为差示扫描量热仪（上海恺时浦检测技术有限公司）；通过红外光谱仪（上海如海光电科技有限公司）对该材料进行冷热循环稳定性分析。

2 实验结果与分析

2.1 DSC测试分析

纯十八烷与各种不同比例下十八烷/膨润土复合相变材料的DSC测试结果如图1所示。

图 1 不同比例下十八烷/膨润土复合相变材料的DSC测试结果Fig. 1 DSC test results of octadecane/bentonite composite phase change materials with different ratios

根据图1可知，十八烷相变潜热为208.5J/g，相变温度为21.17℃，20%十八烷/膨润土相变焓为31.46 J/g，25%十八烷/膨润土相变焓为49.56 J/g，30%十八烷/膨润土相变焓为52.15 J/g，35%十八烷/膨润土相变焓为67.22 J/g，40%十八烷/膨润土相变焓为79.56 J/g。对于复合有机相变材料来说，十八烷的含量越高，其相变焓值也就越大，即在系统损耗相同的情况下，潜热值会随着十八烷所占比例的增加而增加，相变焓值大致与复合相变材料中十八烷的质量分数相对应[9-10]。对于十八烷/膨润土复合相变材料来说，其相变温度会随着十八烷所占比例的提升而向高处偏移。在十八烷/膨润土复合相变材料中，材料自身所带有的孔隙会对十八烷产生较强的约束作用，在复合材料体积出现变化的情况下会产生一定的附加应力，十八烷会受到高于大气压的压力，根据克拉傅龙公式的基本原理，相变温度会随着压力的增加而增加[11]。十八烷含量较高的十八烷/膨润土复合相变材料体积相对较大，被约束在孔隙中的十八烷无法自由变形，因此受到的压力也相对较大，相变温度提升幅度也相对较高[12-13]。

2.2 冷热循环稳定性试验

本次研究将所制备的35%十八烷/膨润土复合相变材料实施500次冷热循环处理，再对复合材料进行DSC与XRD分析。该复合材料在经过500次冷热循环处理后的XRD测试结果如图2所示。经实验研究发现，该试样XRD图谱中对应于膨润土的001晶面间距值为3.9514nm，本次研究还测得35%十八烷/膨润土复合相变材料在进行冷热循环处理之前的该指标为3.9678nm，001晶面的间距值未出现明显变化。说明在冷热循环过程中，复合材料中的十八烷几乎不会从膨润土纳米层中脱离，代表该复合材料具有较为可靠的稳定性。

图 2 冷热循环处理后35%十八烷/膨润土复合相变材料的XRD测试结果Fig. 2 XRD test results of 35% octadecane / bentonite composite phase change material after thermal cycling treatment

35%十八烷/膨润土复合相变材料在经过500次冷热循环处理后的DSC测试结果如图3所示。经实验研究发现，该材料在冷热循环处理前后，其相变温度存在一定的变化，相变潜热也有所降低。出现该现象的原因主要在于有机复合相变材料界面相互作用强并且比表面积效应显著，同时也存在纳米尺寸效应。因此，膨润土的纳米层间的有机相变材料几乎不会在蓄放热过程中解嵌出来，说明35%十八烷/膨润土复合相变材料在可燃性和液相泄漏问题方面得到了良好的改善，是一种性能优良的有机相变蓄热材料。

图 3 冷热循环处理后35%十八烷/膨润土复合相变材料的DSC测试结果Fig. 3 DSC test results of 35% octadecane / bentonite composite phase change material after thermal cycling treatment

3 结论

根据DSC测试结果发现，当十八烷含量为35%时，十八烷/膨润土复合相变材料处于饱和吸附状态且相变焓达到67.22 J/g，符合节能建筑在蓄势性能方面的需求。在对该材料进行500次冷热循环处理后后，其相变潜热虽然有所减损，但有机相变材料也很难从膨润土的纳米层间解嵌出来，可以避免蓄热材料出现液相泄漏的问题，进而延长蓄热材料的使用寿命。