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相变储能石膏基材料制备及性能研究

作者:核心期刊目录查询 发布时间:2019-05-13

相变储能石膏基材料,主要是以石膏为载体,癸酸和月桂酸二元混合酸为相变材料。文章采SEM、DSC-~iN试手段对储能墙板的微孔形貌、热性能特征进行了测试,同时还测试了相变储能石膏板的储热调温性能和相变循环耐久性。 《 材料科学与工程学报 》(双月刊)创刊

  相变储能石膏基材料,主要是以石膏为载体,癸酸和月桂酸二元混合酸为相变材料。文章采SEM、DSC-~iN试手段对储能墙板的微孔形貌、热性能特征进行了测试,同时还测试了相变储能石膏板的储热调温性能和相变循环耐久性。

材料科学与工程学报

  《材料科学与工程学报》(双月刊)创刊于1983年,是由国家教育部主管,浙江大学主办的材料领域学术性科技期刊。《材料科学与工程学报》介绍材料科学基础理论、实验检测技术、材料制备与加工等研究论文,综述具有重大意义的新材料研究与发展,为中文核心期刊

  相变材料在发生相变过程中以吸收和释放热量的方式实现热量的储存和释放。相变材料在多项工程中的应用,可以使建筑物具有一定的储热能力,有助于建筑物内部温度的调控,满足环保和低碳的要求。

  1.相变储能石膏基材料制备工艺的确定

  1.1浸渍温度的确定

  本实验浸渍环境为常压,浸渍时间为10min,70℃时的容留量是50%时的3.4倍,浸渍温度对普通纸面石膏板的容留量影响较小。从趋势来看,浸渍温度为70℃的容留量较50%容留量大。由于70℃时温度比较高,石膏板的表面吸附能比较大,相变材料的内部分子更为活跃,吸附量自然要大些。因此,在条件允许的情况下浸渍温度宜优先选用70℃。

  1.2浸渍时间的确定

  根据相关的文献本实验选取10min,30min,1h和2h四个时间,浸渍环境为常压,浸渍温度为70%。随着浸渍时间的增加,容留量逐渐增大;但是增加的幅度不一样大,在30min-1h直线的斜率最大,1h-2h的斜率又下降了,所以可以判断出浸渍时间为1h最好。出现这种状况的原因可能是随着浸渍时间的增加相变材料会发生泄漏。

  1.3浸渍环境的确定

  不论何种基体材料,负压环境下的容留量约为常压环境下的两倍。因此,在条件允许的情况下宜选择负压浸渍环境。这是由于在负压的环境下,石膏板内部的孔为真空状态更易吸入相变材料。综合上述实验结果,确定制备石膏基相变储热材料的工艺条件:浸渍温度:70℃,浸渍环境:负压,浸渍时间:1h。

  1.4储热调温性能测试

  制备两个体积大小完全相同的圆柱形石膏试样,成型时,在试样中心位置预埋温度传感器;养护后,40℃下烘至绝干。将其中1个试样浸渗至液态相变材料中,制备相变建筑石膏构件。将2个预埋有温度传感器的石膏试样放入17℃的恒温环境中,待试样温度达到17℃后,再将试样放置于35%的恒温环境中,通过试样中预埋的温度传感器采集温度数据,得到试样升温控制曲线;测试毕,再将试样从35℃恒温环境中取出,放入17℃恒温环境下,记录试样在降温过程中的温度变化,得到试样降温控制曲线。

  1.5热稳定性分析

  将制备的相变石膏板放入45℃干燥箱中加热30min,其后再将其放置于10%环境下冷却处理30min,即完成1次相变循环。每次循环均采用滤纸吸去渗出于石膏板表面的相变材料。如此反复进行250次相变循环,根据相变材料的渗出情况表征相变石膏板的热稳定性。

  2.石膏基相变储热材料的容留量分析

  2.1不同种类石膏基体和储热配方对容留量的影响

  基体材料对容留量的影响较大,普通纸面石膏板的容留量是脱硫石膏板的两倍多;相变材料组分对容留量几乎没什么影响,当癸酸比例超过40%后,相变材料组分对容留量的影响不超过3%。由于脱硫石膏板更为密实得多,故普通纸面石膏板的容留量高得多。

  2.2表面活性剂对容留量的影响

  根据文献分析得知,本实验选取PVA(其掺量为相变材料的10%)和硬脂酸钠(掺量为2%)作为表面活性剂进行研究。表面分散剂可以提高材料的容留量,其中掺2%硬脂酸钠的影响较10%PVA大。由于硬脂酸钠是离子表面活性剂,与石膏板块可以互相进行交换,而聚乙烯醇是非离子表面活性剂,因此硬脂酸钠更多地附在石膏板表面,从而提高其容留量。

  3.相变储能石膏基材料制备性能分析

  3.1SEM分析

  图1所示为浸渗前后石膏板的SEM照片。从浸渗前的SEM照片可以看出,石膏晶体呈针状,且互相搭接交错。微观条件下,可以明显的看出石膏板内存在着大量微米级孔结构。浸渗后,相变材料可以有效填充于石膏板的微孔结构中。

  3.2渗出稳定性分析

  扩散一渗出圈法测试原理是测试相变储能材料渗出圈的平均直径超出测试区域直径的百分比,一般认为扩散一渗出圈百分比小于15%,即可认为是稳定的。随着吸附量的增大,相变石膏板的渗出程度不断增大。当石膏板的吸附量约小于22%时,其渗出稳定性较好。

  3.3储热调温性能分析

  纯石膏试样的升温速率明显要大于相变石膏试样的升温速率,纯石膏从17℃至35℃所需时间为14400s,即4h;相变石膏试样所需时间为19463s,约5.4h,相变石膏试样耗时要比纯石膏试样耗时长约1.4h。通过分析得知,纯石膏试样降温速率与相变石膏试样相比较快,仅需约6000s(约1.67h),就降温至17℃,而相变石膏试样直到14000s(约4h)后才降温至预设温度,整整延迟了约2.22h。相变石膏试样在降温过程中出现了轻微的过冷现象,但并不影响其使用。采用物理浸渍法制备相变储能石膏材料可以提高单位体积石膏的潜热储热量。当温度升温至相变温度点时,石膏孔结构内的相变材料会发生固一液相变,利用其自身潜热将部分热量储能起来,直到完成固一液相变后,温度才得以继续上升。温度下降后,被储存起来的潜热又能够重新释放出来,对试样温度进行补充。相变储能石膏试样良好的储放热性能能够实现热量在时间和空间上的转移,有效降低温度的波动幅度,具有较好的控温特性。

  3.4DSG分析

  相变储能石膏板的相变温度范围为24.0-30.1℃,与相变材料相变温度范围23.7-29.6℃相差不大。相变材料的相变潜热为137.9J/g,根据石膏基体和脂肪酸相变材料的质量比5:1,得到相变储能石膏板的理论潜热为22.98J/g。实际测量值为22.5J/g,与理论值接近。因此,采用物理浸渍法制备相变储能石膏板,脂肪酸相变材料的热性能没有受到影响。

  3.5热稳定性分析

  制备相变材料容留量为20%的相变石膏板,通过分析可知,随着相变循环次数的增大,相变材料的渗出量逐渐增大。但250次相变循环后,相变石膏板质量损失率仅为2.5%,石膏板表面无相变材料渗出的油腻感,说明浸渗法制备的相变储能石膏板热稳定性良好,具有良好的相变循环耐久性。

  4.结语

  在相变储能石膏基材料制备的过程中,文章采用物理浸渍法制备,对制备的相变储能石膏板的渗出稳定性、储热调温特性以及相变循环使用耐久性进行了测试和表征。相变材料可以有效填充于石膏板的微孔结构中,帮助工程实现环保、低碳的要求。

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