建筑用多孔型相变储热材料的制备及性能表征

2021-10-28贾绍琨张玉栋

合成材料老化与应用 2021年5期

贾绍琨，张玉栋

（1河北工业职业技术学院宣钢分院，河北张家口075100：2河北建筑工程学院，河北张家口075000）

相变储能材料是当前我国建筑领域广泛使用的一种室温调节材料，该材料有助于平衡室内昼夜温度并降低取暖能耗[1]。而“多孔”则是相变储热材料的一种封装形式，即通过密集、微小的孔隙来吸附储能材料，最终形成多孔型相变储热材料，同时通过化学键的多方协同、表面张力以及毛细吸附作用使多孔基体内部孔隙中相变储能材料的稳定性得到进一步的增强[2-3]。本次研究将相变储能材料选定为聚乙二醇800，其相变温度在25℃附近，将多孔材料基体选定为膨胀石墨。

1 材料与仪器

1.1 实验材料

可膨胀石墨（EG），规格型号为80目，石家庄沣铭矿产品有限公司；聚乙二醇800（PEG），分析纯，沈阳伊威隆化工原料有限公司。其中可膨胀石墨膨胀容积为100mL/g，需要事先对其实施干燥处理，将含水率控制在3%以下。

1.2 实验仪器与设备

SX2-6-13型马弗炉（箱式电阻炉），上海钜晶电阻炉生产商；DZF-6020型真空干燥箱，南京龙伍机械有限公司；Autosorb-iQ型全自动BET分析仪，美国康塔仪器公司；JSM-7001F型扫描电子显微镜，日本电子JEOL。

2 PEG/EG相变储热材料制备

选取50mL高温陶瓷坩埚，倒入0.5g经过干燥处理的可膨胀石墨，再将坩埚置于SX2-6-13型马弗炉中，800℃加热60s后取出，最终获得疏松多孔的EG[4-5]。

于烧杯中加入一定量的PEG，水浴加热使PEG转变为熔融状态，分别配制3份不同质量比例的PEG/EG粗混材料，质量比例分别为6:1、9:1、11:1，材料代号分别为E-PCM1、E-PCM2、E-PCM3。将粗混材料充分搅拌后用铝箔纸与橡皮筋密封闭烧杯口，再将烧杯置于DZF-6020型真空干燥箱中，箱内气压-0.1MPa、温度75℃，经过12h的吸附处理后获取PEG/EG相变储热材料，其备流程如图1所示[6-8]。

图1 PEG/EG相变储热材料的制备过程Fig. 1 Preparation process of PEG / EG phase change heat storage material

3 PEG/EG相变储热材料的表征

3.1 氮气吸附法

通过Autosorb-iQ型全自动BET分析仪来表征EG的孔隙结构，于150℃环境下对待测样本实施180min的脱气处理，再将液氮加入样品中，于-196℃环境下绘制EG的氮气吸附-脱附曲线[9-11]。

3.2 扫描电镜测试

待EG及PEG/EG相变储热材料充分干燥后对其实施喷金处理，利用JSM-7001F型扫描电子显微镜来观察待测样本表面微观形貌，分辨率为1.2nm/15kV，加速电压为20kV[12-13]。

4 实验结果

4.1 EG的微观形貌与孔隙结构

图2为EG的微观形貌图像，图3为EG的吸附-解吸等温线，经BET分析发现，本次研究所制备的EG比表面积较高，可达到134.48m2·g-1，表明EG内部孔隙较为丰富，有助于吸附较多的相变储能材料，其孔隙类型主要包括微孔（Φ <2nm）、介孔（2nm<Φ <50nm）、大孔（Φ >50nm）三种。根据图2可以观察到，EG呈多孔、疏松、柔软的层状结构，层间的孔隙呈网状分布。

图2 EG表面微观形貌Fig. 2 Surface morphology of EG

图3为EG的吸附-脱附等温线，滞回曲线上下两端的闭合点距离较宽，代表EG的介孔孔径分布较宽，孔隙类型主要为介孔。

图3 EG的吸附-脱附等温线Fig. 3 Adsorption desorption isotherm of EG

图4为EG的孔隙积分孔容与孔径关系曲线，根据该图可知，EG的孔径在2～10 nm之间，进一步证明了EG的孔隙类型主要为介孔。以往研究发现，大孔EG材料在外界压强发生变化的情况下容易出现吸附物流失的问题，而微孔EG材料只有在较为严苛的温度和压强环境下才能够发挥吸附作用。介孔EG材料则能够于低压环境下吸附相变储热物质，由于其层状结构较为柔软，吸附物不易流失。

图4 EG的孔隙积分孔容与孔径关系曲线Fig. 4 Relationship curve between pore volume and pore diameter of EG

4.2 PEG/EG相变储热材料的储热性能

表1为PEG800及PEG/EG相变储热材料的DSC数据，经实验研究发现，纯PEG在结晶过程中的相变潜热为141.41J·g-1，熔化过程中的相变潜热为144.71J·g-1，虽然潜热值较高，但熔化过程中的峰值温度为33.51°C，并不处于人体舒适温度范围。而E-PCM2的潜热值仅次于纯PEG，结晶过程中的峰值温度为20.20°C，熔化过程中的峰值温度为25.04°C，在具有较高相变潜热值的同时，相变温度也处于人体舒适温度区间。