石墨改性膨胀珍珠岩相变储热复合材料试验及性能*

2022-04-26张玉洁李嘉仪王劭琨

合成材料老化与应用 2022年2期

张玉洁，李嘉仪，王劭琨，安冬

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000）

相变储热材料是当下建筑节能中的重要部分，通过吸热储热或者放热来维持自身的温度不发生变化，进而对建筑的温度进行调控，是当下较为流行和运用较广的一种建筑储能材料，也被用于暖通系统中。在实际应用中，为寻找性能更好的相变储热材料，部分学者进行了研究，如：谢雯倩［1］制备了LA-PA/焦粉复合相变储能材料，并证明该材料经过多次吸热放热后，相变焓变化不大，储热稳定性良好；蒯子函［2］制备了硬脂醇/膨胀石墨复合相变材料，通过对样品的导热性能和熔化-凝固特性进行验证，表明该材料具备良好相变储热性能。实践认为,目前在相变储热材料的种类研究方面较为完善，但在材料的性能方面还有一定提升空间。基于此，本文在相关研究基础上，以常见的膨胀珍珠岩为主要原料，用石墨粉改性膨胀珍珠岩相变储热材料，并就改性后的性能进行分析。

1 试验部分

1.1 材料与设备

本试验主要材料：聚乙二醇（PEG，济南腾博化工有限公司，AR）、膨胀珍珠岩（EP，廊坊宇邦保温材料有限公司，CP）、石墨粉（GP，灵寿县拓琳矿产品加工，I级）、粉煤灰（灵寿县海滨矿产品贸易有限公司，II级）、水泥（湖南鑫鼎力新材料科技有限公司，P.O 42.5）、河砂（河北宝廷工程建设有限公司，II级）。

本试验主要设备：电热恒温水浴锅（沃林仪器设备，DZKW-C型）、真空干燥箱（林频仪器，DZF-6020）、超声清洗机（洁盟超声科技，JM-38D-40）、集热式恒温加热磁力搅拌器（凯瑞仪器设备，DF-101S）、混凝土振动台（星建仪器设备，HZJ-1）、差示扫描量热仪（恒久实验设备，DSC-Q2000）、导热系数测试仪（湘仪仪器，DRE-III）、微机控制电液伺服万能试验机（吉蒂艾思仪器设备，WAW-B）。

1.2 试验方法

1.2.1 复合相变储热材料的制备

（1）在四个烧杯中分别放入20g PEG ，编号为PEGs-（1~4），然后采用水浴加热熔融，温度为80℃。

（2）在编号为PEGs-2、PEGs-3、PEGs-4的烧杯中加入质量分数为1%、3%、5%的石墨粉，然后磁力搅拌混合均匀，搅拌时间和温度分别为60min和80℃。将混合物放入超声清洗机内超声处理，处理时间为60min。

（3）分别在烧杯中加入0.5g EP，然后置于真空干燥箱中烘干，烘干时间和温度分别为60min、80℃。用金属漏网过滤后用滤纸擦干材料表面液体，得到复合相变储热材料。

1.2.2 蓄热砖的制备

按照1份水泥，1份粉煤灰和3份河砂的比例制作蓄热砖。待所有蓄热砖原料混合均匀后，加入质量分数为30%的复合相变储热材料，将搅拌均匀的浆料倒入模具后，采用混凝土振动台通过振动将浆料内的气泡排出，使得浆料内部更加密实，养护至指定龄期。以上述同样的方法制备对照组。未加入改性后的复合相变储热材料的普通砖编号为S1，加入改性后的复合相变储热材料的蓄热砖编号为S2。

1.2.3 性能测试与表征

（1）负载率测试

负载率（质量比）的表达式为［3-5］：

式（1）中，λ为PEG负载率；M1为膨胀珍珠岩质量；M2为复合相变储热材料质量。

（2） DSC分析

用差示扫描量热仪对相变焓进行分析，进而对样品的储热性能进行分析［6］。

（3）热导率分析

用导热系数测试仪可以准确测定样品的热导率，通过热导率的变化对材料的导热性能进行表征［7］。

（4）力学强度分析

力学性能通过测试拉伸强度和撕裂强度进行表征，采用微机控制电液伺服万能试验机进行测试［8］。

2 结果与讨论

2.1 PEG负载率

图1为负载率随石墨粉添加量的变化。由图1可知，随着石墨粉增加，负载率缓慢下降。出现此变化的主要原因在于，在膨胀珍珠岩吸附效率固定的情况下，石墨粉添加量越多，PEG在复合变储热材料中的单位含量有所下降，使其负载率有所下降［9-10］。

图1 负载率变化Fig.1 Change of loading rate

2.2 储热性能分析

图2为复合相变材料的DSC曲线。通过观察图2可以发现，未添加石墨粉的复合相变材料峰面积较大，而峰面积主要对应的是材料相变焓高低，峰与相变焓数据相关。在本次试验中，相变焓出现此变化的主要原因在于，膨胀珍珠岩的吸附量基本上可以视为固定，加入石墨粉后，对吸附孔洞起到一定的堵塞作用，对PEG吸附有所影响。在差热分析的过程中，受石墨粉影响，PEG含量低的样品相变焓也越低［11-12］。同时，通过图2还可观察到，所有添加了石墨粉的样品中，峰面积都较为接近，证明添加少量的石墨粉对复合相变储热材料的相变焓影响较小，其中添加量为1%（PEGs-2）的峰面积相对较大，这说明在添加了石墨的样品中，PEGs-2材料的相变焓较高。

图2 不同石墨粉添加量的复合相变材料DSC曲线Fig. 2 DSC curves of composite phase change materials with different amount of graphite powder

2.3 热导率分析

图3为热导率对比图。由图3可知，经过石墨粉改性后的材料热导率最高可以达到0.392W/(m·K)，较纯PEG热导率提高了52%，较PEGs-1样品提高了310%，这说明使用石墨粉作为导热增强填料是可行的［13-14］。

图3 材料热导率Fig. 3 Thermal conductivity of materials

2.4 蓄热砖抗压强度变化

将复合材料应用到蓄热砖中，得到图4的蓄热砖抗压强度变化情况。观察图4发现，未添加复合相变储热材料的蓄热砖样品抗压强度在所有养护龄期内皆高于添加了复合相变储热材料的蓄热砖样品。这是因为加入复合相变储热材料后，增大了样品内部孔隙，颗粒间结合的较为松散，对其抗压强度产生不良影响，但添加了复合相变材料样品在养护28d后，样品的力学强度仍高于15MPa，满足国家对建筑材料的相关标准要求［15］。

图4 蓄热砖抗压强度变化Fig.4 Change of compressive strength of heat storage brick

2.5 蓄热砖储热性能变化

图5为蓄热砖的DSC曲线图。在图5中可以看到，S1样品的DSC曲线为一条直线，几乎没有波动，这说明在100℃温度范围内，S1样品几乎没有相变焓存在。而S2样品的DSC曲线有明显峰值出现，且峰面积较大，说明该材料具有良好的相变焓，表明添加了复合相变储热材料后，蓄热砖具有了一定的储热性能，可在建筑节能中调节室内温度应用。