建筑节能用癸酸-月桂酸_膨...合相变储热材料的制备及性能_李向辉.pdf

投稿网址：http：/辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING PETROCHEMICAL UNIVERSITY第43卷 第3期2023 年6月Vol.43 No.3Jun.2023建筑节能用癸酸月桂酸/膨胀蛭石复合相变储热材料的制备及性能李向辉，刘松阳，白瑞雪，张佳晖，戴佳楠（辽宁石油化工大学 土木工程学院，辽宁 抚顺 113001）摘要：以膨胀蛭石为支撑材料，真空浸渍癸酸月桂酸二元相变材料，合成了癸酸月桂酸/膨胀蛭石复合相变储热材料；采用红外光谱仪、扫描电镜、热分析仪、差示扫描量热仪及热循环实验，对癸酸月桂酸/膨胀蛭石复合相变材料的化学兼容性、微观形貌、稳定性、热物性及可靠性进行了分析。结果表明，癸酸月桂酸/膨胀蛭石复合相变储热材料的融化和凝固相变温度分别为 18.42 和 17.51，相变潜热分别为 66.9 J/g和 62.9 J/g；膨胀蛭石中癸酸月桂酸的装载量可达 52.97%，在工作温度范围内具有良好的热稳定性。此外，用癸酸月桂酸/膨胀蛭石复合相变材料按一定比例替代细砂制备癸酸月桂酸/膨胀蛭石基储能砂浆，对其力学及调温特性进行了研究。结果表明，癸酸月桂酸/膨胀蛭石基储能砂浆具有应用于节能建筑的较大潜力。关键词：膨胀蛭石；癸酸月桂酸；防渗漏；建筑节能中图分类号：TQ177；TU599 文献标志码：A doi：10.12422/j.issn.16726952.2023.03.006Synthesis and Characterization of Capric AcidLauric Acid/Expanded Vermiculite as a Phase Change Composite for Energy Efficiency of BuildingsLi Xianghui，Liu Songyang，Bai Ruixue，Zhang Jiahui，Dai Jianan（School of Civil Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China）Abstract:In this paper,a kind of composite phase change material(capric lauric acid/expanded vermiculite)using expanded vermiculite as the matrix and capriclauric acid binary eutectic as the adsorbent was fabricated by vacuum impregnation technology.The chemical compatibility,morphology,stability，thermalphysical properties and reliability of the prepared composite capriclauric acid/expanded vermiculite were investigated by fourier transform infrared spectrum(FTIR),scanning electronic microscope(SEM),thermal gravimetric analyzer(TGA),differential scanning calorimeter(DSC)and thermal cycling test.The melting and solidification phase transition temperatures of capriclauric acid/expanded vermiculite are 18.42 and 17.51,respectively.The latent heat of melting and solidification phase transition are 66.9 J/g and 62.9 J/g,respectively.Besides,the encapsulation amount of capriclauric acid in expanded vermiculite can reach 52.97%,and it has good thermal stability between working temperature.Moreover,the capric lauric acid/expanded vermiculite was used to substitute for a certain proportion of fine sand to prepare thermal storage mortar,the mechanical and thermal performance of capriclauric acid/expanded vermiculitebased mortar was evaluated.The test result shows that prepared capriclauric acid/expanded vermiculitebased thermal storage mortar is a potential material for building heat regulation and energy saving.Keywords:Expanded vermiculite；Capriclauric acid；Leakage prevention；Building energy efficiency随着经济的发展，人们的生活水平逐渐提高。与此同时，建筑能耗逐年递增。在传统能源危机、全球变暖后厄尔尼诺现象频发、对室内环境热舒适性的要求提高的背景下，建筑节能逐渐成为近年来的研究热点1。建筑能耗在现代社会总能耗中的占比很大，只有真正提高建筑能效，才能在很大程度文章编号：16726952（2023）03003407收稿日期：20230106 修回日期：20230222基金项目：辽宁省教育厅面上项目（LJKZ0405）；国家级大学生创新创业训练计划项目（202210148014）。作者简介：李向辉（1999），男，本科生，城市地下空间工程专业，从事太阳能储热材料方面的研究；Email：。通信联系人：刘松阳（1984），男，博士，讲师，从事节能建筑材料方面的研究；Email：。第 3 期李向辉等.建筑节能用癸酸-月桂酸/膨胀蛭石复合相变储热材料的制备及性能上缓解能源短缺等问题2。相变储能技术的实质是利用相变材料在相变过程中储存的热能，具有相变温度固定、相变过程可逆等特点，实现能量的时空转移。相变材料在太阳能热发电、建筑节能及供暖、空调系统等领域发挥着重要作用36。将相变材料加入建筑围护结构中，不仅可以降低建筑的冷/热负荷，还可以实现峰值负荷的转移，有助于保持室内热环境的舒适度，达到节能的效果7。相变材料的种类很多，根据化学组成可分为无机、有机以及低共熔物等三种。其中，有机相变材料因具有温度恒定、相变潜热大、性能稳定、储量丰富等特点，得到了广泛的研究8。然而，单一有机相变 材 料 的 相 变 温 度 高 于 人 体 的 舒 适 温 度（1525）。癸酸月桂酸作为一种具有发展前景的固液有机相变材料，具有蒸汽压低、储能能力强、热可靠性和化学可靠性高等优点。W.Lin9采用溶胶凝胶法，合成了癸酸月桂酸/纳米二氧化硅复合相变材料，该复合物的相变温度及潜热分别为 19.57 和 71.28 J/g，导热系数为 0.17 W/(mK)，可以作为一种节能建筑用的隔热材料。M.Oumayma 等10以癸酸月桂酸、海藻酸钠生物聚合物为主要材料，采用封装法制备一种新型稳定复合相变材料，并进行了热重分析及热循环实验。结果表明，该复合物具有较好的稳定性和可靠性。在实际应用中，相变材料因耐久性方面存在问题，有时会发生泄漏的情况，从而降低蓄热效果11。此外，相变材料的封装成本较高，这在一定程度上也影响其在建筑中的应用。针对上述问题，众多学者将膨润土12、膨胀珍珠岩13、硅藻土14、煤系高岭土15等多孔非金属矿物材料作为相变材料的支撑基体，并对其进行了研究。结果表明，采用多孔非金属矿物材料制备的定型复合相变材料，可以有效地解决单一相变材料在使用过程中容易发生泄漏的问题，而且具有制备工艺简单、稳定性好等优点16。作为一种典型的非金属矿物材料，膨胀蛭石孔隙通道丰富，具有良好的热稳定性和化学相容性，是一种适合封装相变材料的载体。此外，膨胀蛭石储量丰富，价格相对较低，具有优异的吸附能力，质量轻，化学稳定性好。本文以膨胀蛭石为支撑材料，采用真空浸渍法吸附癸酸月桂酸二元共晶相变材料，系统研究了癸酸月桂酸/膨胀蛭石基复合相变储热材料（癸酸月桂酸/膨胀蛭石，下同）的化学兼容性、储热性能、热稳定性及可靠性，旨在制备一种相变温度在人体舒适温度范围内、相变潜热较高且性能稳定的节能建筑用复合相变储热材料；将癸酸月桂酸/膨胀蛭石应用于建筑围护结构中，以期为新型节能建筑材料的开发提供新思路，丰富矿物基复合相变储热材料在建筑节能应用中的多样性、可行性，为实现建筑绿色化可持续发展提供强有力的技术保障。1 实验部分 1.1 材料、仪器及表征膨胀蛭石，河北光辉实业有限公司，使用前过200 目标准筛；癸酸，上海麦克林生化科技有限公司；月桂酸，国药控股化学试剂有限公司；水泥（PO 32.5普通硅酸盐），抚顺矿业集团有限责任公司水泥厂，其各项性能均满足 GB 1752020 的具体要求；细砂，厦门 ISO标准砂有限公司。采用渗出圈法进行泄漏试验，根据复合相变材料中癸酸月桂酸的泄漏率确定癸酸月桂酸的掺入量；采用傅里叶红外光谱仪（FTIR，Nicolet 5700 spectrophotometer）记 录 样 品 在 波 长 4 000400 cm-1的透射光谱，系统研究膨胀蛭石与癸酸月桂酸等材料的化学兼容性；采用扫描电子显微镜（SEM，FEI quantum200）观察膨胀蛭石、癸酸月桂酸/膨胀蛭石和癸酸月桂酸/膨胀蛭石基储热砂浆的微观结构及结合状态；在升温速率为 10/min、温度区间为 0100、N2气流速恒定的氛围中，采用差式扫描量热（DSC，TADSCQ20）对癸酸月桂酸、癸酸月桂酸/膨胀蛭石的相变特性进行分析，每次样品用量约为 5 mg；在恒定氩气流下，以 10/min 的速度将温度由室温升至 400 C，采用同步热分析仪（TG，SDT Q600）分析癸酸月桂酸/膨胀蛭石的热稳定性。1.2 癸酸月桂酸二元相变材料的制备以癸酸和月桂酸为相变原料，采用熔融共混法制备癸酸月桂酸二元共晶体系，根据施罗德方程17，确定癸酸与月桂酸的最佳质量比为 65 35。按照此质量比称取两种材料，静置于 80 的水浴锅中，使癸酸月桂酸融化，抽真空至0.1 MPa 并保持 30.0 min，关闭真空泵使癸酸月桂酸渗透于膨胀蛭石中，在 80 的温度下超声加热 5.0 min。冷却至室温后，在 50 的烘箱中热过滤 12.0 h以去除过量的癸酸月桂酸，得到癸酸月桂酸/膨胀蛭石复合相变储热材料。1.3 癸酸月桂酸/膨胀蛭石的制备采用真空浸渍法制备癸酸月桂酸/膨胀蛭石。取 4 g 膨胀蛭石和 6 g 癸酸月桂酸，加入 150 mL 锥形瓶中；锥形瓶连接一个防止倒吸的装置及提供反应环境的真空泵；将样品置于 80 的水浴锅真空浸35辽宁石油化工大学学报第 43 卷渍 30.0 min，然后将放有样品的锥形瓶置于超声环境中振荡 5.0 min；待样品冷却后，将其放入 80 的烘箱中热过滤 24.0 h；采用热过滤的方法，最终确定癸酸月桂酸的最大负载量。当环境温度（80）高于癸酸月桂酸/膨胀蛭石的相变温度时，没有装载到膨胀蛭石孔道中的癸酸月桂酸会被有效蒸发。为了研究