有機(jī)相變材料分類及運(yùn)用

1、有機(jī)相變材料分類及運(yùn)用有機(jī)相變材料作為一種儲(chǔ)能材料，在降低建筑物能耗、提高能 源利用率方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，下面是的一篇探究有機(jī)相變材料運(yùn) 用的范文，供大家閱讀借鑒。第三次工業(yè)革命之后人類科技得到了高速開展，隨之而來的是 能源需求的逐年增加。根據(jù)國(guó)際能源署(Internatio-nal Energy Agency,IEA)的報(bào)道，化石燃料消耗占全球能源消耗的81%,而且這 一趨勢(shì)將持續(xù)到2030年1.化石燃料資源的持續(xù)減少以及能源使用 中產(chǎn)生的溫室氣體、有毒氣體、粉塵等嚴(yán)重威脅著人類生存和自然 環(huán)境。與此同時(shí)，能源短缺的現(xiàn)狀與人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的室內(nèi)溫度舒適 度需求之間的矛盾也不可無視。能量存儲(chǔ)技術(shù)被

2、看作是解決能源短 缺問題的有效途徑，將它應(yīng)用在建筑中既可以降低能耗、提高能源 利用率，又可以降低溫室氣體的排放。相變材料(Phase change materials,PCM)是一種高效儲(chǔ)能物 質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)它會(huì)由一種相態(tài)轉(zhuǎn)化到另一種相態(tài)，同 時(shí)伴有能量的吸收(釋放)而自身溫度不會(huì)發(fā)生改變。利用相變材料 這一獨(dú)有的特性來協(xié)調(diào)能量供求在時(shí)間和強(qiáng)度上不匹配的問題是經(jīng) 濟(jì)可行的方法，因而它被廣泛地應(yīng)用于能量?jī)?chǔ)存和溫度控制領(lǐng)域2. 將相變材料應(yīng)用于建筑材料中，可得到具有儲(chǔ)能和控溫功能的復(fù)合 型建筑圍護(hù)構(gòu)造，在減小室內(nèi)溫度波動(dòng)，提高舒適度的同時(shí)，還可 以減輕建筑構(gòu)造自重，節(jié)省空調(diào)采暖費(fèi)用3.相

3、變材料可以分為有 機(jī)相變材料(Organic phase changematerials,OPCMs)、無機(jī)相變材 料(Inorganic phase changematerials,IPCMs)和復(fù)合相變材料 (Composite phase changematerials,CPCMs)。其中有機(jī)相變材料具 有相變潛熱大、無過冷、無腐蝕、無體積效應(yīng)、無毒無害等優(yōu)點(diǎn)4, 得到科研工作者的廣泛關(guān)注。本文綜合國(guó)內(nèi)外科研工作者近5年的 科研成果，總結(jié)了有機(jī)相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。1.1石蠟石蠟是精制石油的副產(chǎn)品，通常是從原油的蠟餾分中別離而 得，需要經(jīng)過常減壓蒸餾、溶劑精制、溶劑脫蠟脫油、

4、加氫精制等 工藝才能從石油中提煉出來5.石蠟主要由含碳數(shù)為1430的直鏈 烷烴構(gòu)成，具有相變溫度寬(1080C)、蓄熱密度中等、相變潛熱高 (200300J/g)等特點(diǎn)。表1列出了不同含碳數(shù)直鏈烷烴的熱物性 質(zhì)。直鏈烷烴的熔點(diǎn)隨含碳數(shù)的增加而升高，相變潛熱總體上也隨 含碳量的增加而增加6.石蠟類相變材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用的原因在于它具有相 變潛熱高、相變溫度范圍寬、無過冷現(xiàn)象、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)7,以 及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。Shukla等8報(bào)道了入、B、C三種不同相變溫 度石蠟的凍融循環(huán)測(cè)試結(jié)果。石蠟A和B經(jīng)過600次循環(huán)后相變潛 熱和相變溫度均發(fā)生少量降低。然而，石蠟C經(jīng)過1500次循環(huán)后的 熱

5、性能與循環(huán)600次的A和B相差無幾。這說明石蠟類相變材料在 初期會(huì)發(fā)生儲(chǔ)熱性能的衰減，但經(jīng)歷了初期的性能衰減之后，石蠟 性能趨于穩(wěn)定，適合長(zhǎng)期使用。Alkan等9用聚丙烯和石蠟制備出 一種定型相變材料。為了驗(yàn)證材料的穩(wěn)定性，他們對(duì)3000次凍融循 環(huán)后的定型相變材料進(jìn)展差示掃描量熱分析(Dif-ferential scanning calorimeter analysis,DSC)和傅里葉紅外光譜分析 (Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)，測(cè)試結(jié)果說 明無論在蓄熱能力還是化學(xué)穩(wěn)定性上，這一復(fù)合材料都表現(xiàn)出了優(yōu) 異的性能。根據(jù)以上工作可以

6、看出，石蠟類相變材料在熱穩(wěn)定和化 學(xué)穩(wěn)定性上具有很好的可靠性。1.2脂肪酸及其衍生物常見的有機(jī)相變材料除石蠟外，還有脂肪酸及其衍生物。脂肪 酸及其衍生物是一類羧酸化合物，由碳?xì)浣M成的烴類基團(tuán)連結(jié)羧酸 所構(gòu)成。脂肪酸及其衍生物與石蠟一樣具備了潛熱高、過冷度低、 無毒無腐蝕、廣泛等特點(diǎn)7,10.另外，脂肪酸及其衍生物特有低共 熔效應(yīng)-將不同脂肪酸熔融混合形成低共熔混合物，可有效降低混 合物的相變溫度，從而拓寬了脂肪酸類相變材料相變溫度范圍，使 得其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛11.劉程等12對(duì)脂肪酸低共熔混合物相變 溫度和潛熱理論預(yù)測(cè)公式進(jìn)展了選擇和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過DSC測(cè)試月 桂酸-肉豆蔻酸二元低共熔混合物、

7、月桂酸-肉豆蔻酸-棕櫚酸三元低 共熔混合物的熱物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測(cè)公式對(duì)低共熔質(zhì)量配比和 相變溫度預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可以用于計(jì)算脂肪酸類低共熔 混合物的熱特性參數(shù)。在此根底上，他們用5種不同的飽和脂肪酸 作原料，制備了10種低共熔混合脂肪酸，它們的熔點(diǎn)覆蓋建筑暖通 空調(diào)設(shè)計(jì)溫度范圍，最大相變潛熱可達(dá)177.39J/g.付路軍等13以癸酸和月桂酸作為儲(chǔ)能材料，基于施羅德公式計(jì)算結(jié)果制備 了相變溫度各不相同的4種低共融相變材料，其相變溫度在 2025C之間，相變潛熱均大于103J/g.而后他們用溶膠-凝膠法將 低共融相變材料嵌入多孔SiO2的三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造中，成功制得癸酸- 月桂酸/SiO2

8、定型相變材料。通過掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)觀察可知，癸酸-月桂酸被束縛在SiO2的 網(wǎng)格中不會(huì)發(fā)生液相泄漏。DSC分析說明，定型相變材料的相變潛 熱是70.17J/g,相變溫度是20.96C。相變材料在建筑材料中的應(yīng)用主要分為兩大類：一類是把相變 材料與建筑圍護(hù)構(gòu)造結(jié)合，制成相變蓄能圍護(hù)構(gòu)造，可大大增加圍 護(hù)構(gòu)造的蓄熱作用，使建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流波動(dòng)幅度被減 弱、作用時(shí)間被延遲，從而提高建筑物的溫度自調(diào)節(jié)能力和改善室 內(nèi)環(huán)境，到達(dá)節(jié)能和舒適的目的;另一類是把相變材料與大體積混凝 土結(jié)合，制成相變溫控混凝土，能有效降低混凝土內(nèi)部溫升

9、速率、 延緩峰值出現(xiàn)時(shí)間，從而將有利于解決混凝土因水泥水化熱所引起 的早期開裂，改善材料耐久性14.2.1石蠟類相變材料的應(yīng)用相變材料在使用過程中會(huì)發(fā)生相態(tài) 的交替變化，即由固態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)化為液態(tài)（固態(tài)）。因此，在實(shí)際使 用過程中對(duì)相變材料進(jìn)展封裝是很有必要的。相變材料常見的封裝 方法有浸泡吸附、高聚物定型、微膠囊化等2,11.李啟金等15 以 膨脹珍珠巖為支撐材料，石蠟為儲(chǔ)能材料，制備了石蠟/膨脹珍珠巖 復(fù)合相變儲(chǔ)能材料。他們采用擴(kuò)散-滲出圈法確定了膨脹珍珠巖的最 正確吸附量為65%;對(duì)復(fù)合相變材料進(jìn)展SEM和DSC表征，結(jié)果說 明：膨脹珍珠巖的內(nèi)部孔隙根本被石蠟完全填充，其自身成為了密 實(shí)

10、顆粒;復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的相變溫度與石蠟的相變溫度根本一致， 其相變潛熱與對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下石蠟的相變潛熱相當(dāng)。對(duì)于浸泡吸附 法來說，支撐材料的顆粒大小和孔徑對(duì)相變材料的吸附率也會(huì)產(chǎn)生 影響。Li等16使用3種顆粒粒徑依次增大的硅藻土 DP1P、DP2P和 DP3P對(duì)石蠟的吸附情況進(jìn)展了研究。實(shí)驗(yàn)說明：不同的硅藻土吸附 石蠟后直接與水泥粉混合制備相變水泥板，當(dāng)復(fù)合材料發(fā)生相變時(shí) 石蠟會(huì)發(fā)生泄露，其泄露量隨硅藻土顆粒的增大逐漸降低;使用外表 改性劑對(duì)硅藻土進(jìn)展改性后相變材料的泄露問題可以得到徹底解 決。王偉等17 采用浸泡吸附法制備了十八烷-膨脹珍珠巖復(fù)合相變 材料，其中十八烷含量為膨脹珍珠巖的132

11、%,即m（膨脹珍珠 巖）：m（十八烷）二1：1.32.經(jīng)DSC和FT-IR分析可知復(fù)合相變材料在 具有優(yōu)異熱性能的同時(shí)，十八烷與膨脹珍珠巖也具有良好的相容 性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合相變材料的使用性能，他們采用水泥干粉 并經(jīng)水養(yǎng)護(hù)所形成的水泥漿體對(duì)復(fù)合相變材料進(jìn)展封裝，封裝后十 八烷在膨脹珍珠巖中的容留率由封裝前的75%提高到97%以上，到達(dá) 減少其在水泥基質(zhì)中使用時(shí)相變材料融化泄漏的效果。除了浸泡吸 附法外，相變材料常見的封裝方法還有高聚物定型法。Chen等18用聚亞胺酯作支撐材料，正十八烷、正二十烷、石 蠟作為相變材料，采用聚乙二醇為軟模板，4,4-二苯基甲烷-二異 氤酸酯和1,4-丁二醇作為

12、硬模板合成了相變材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、 20%、25%、30%的聚亞胺酯相變材料。實(shí)驗(yàn)說明：聚亞胺酯相變材料 的最大包覆比是25% ;熱重分析（Thermal gravimetric analysis,TGA）和DSC測(cè)試驗(yàn)證了材料在高溫環(huán)境下的熱穩(wěn)定性和聚 亞胺酯相變材料的儲(chǔ)熱能力。Trigui等19用低密度聚乙烯作為支撐材料，制備了石蠟-低 密度聚乙烯復(fù)合相變材料。同時(shí)研究者將這種定型相變材料應(yīng)用在 模擬被動(dòng)式太陽(yáng)能房的墻體裝置中，研究了相變材料的熱工性能。 首先他們成功制備出石蠟含量為60%的復(fù)合相變材料，其相變溫度 和潛熱分別是23.67 C、134.93J/g;隨后他們用自行設(shè)計(jì)的裝

13、置測(cè) 試了材料的熱工參數(shù)，包括比熱容、潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)等。雖然有機(jī) 相變材料具有相變溫度寬、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，但是 它的導(dǎo)熱能力卻相對(duì)較弱。大量的研究者在提高材料導(dǎo)熱系數(shù)方面 做了很多工作。Lachheb20和Cheng21 都使用了石墨來增強(qiáng)復(fù)合相變材料的 導(dǎo)熱系數(shù)。前者用兩種孔徑不同的石墨作為導(dǎo)熱介質(zhì)，研究了石墨 孔徑對(duì)相變石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果說明，石墨對(duì)相變石蠟的相 變溫度沒有影響;相變石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的提高與添加石墨的量成比例， 石墨含量越高，導(dǎo)熱系數(shù)越大。為了進(jìn)一步強(qiáng)化材料的加工使用性 能，Cheng等將石墨-石蠟復(fù)合材料與高密度聚乙烯熱加工成型，制 備了定型復(fù)合相變材料，

14、比較了石墨和膨脹石墨對(duì)材料導(dǎo)熱性能的 影響。結(jié)果說明，膨脹石墨提高材料導(dǎo)熱系數(shù)的能力比普通石墨 強(qiáng)，添加16%的石墨材料導(dǎo)熱系數(shù)提高67.74%,而添加 1%的膨脹石墨就將導(dǎo)熱系數(shù)提高87.1%.浸泡吸附法和高聚物定型法 雖然可以將相變材料較好地包覆，但是經(jīng)過屢次凍融循環(huán)后仍會(huì)有 液相相變材料泄漏、相變材料沉積等問題。能將相變材料完全封裝 并持久性的方法是微膠囊化。Sar?等22采用乳液聚合法制備了粒徑在0.140.4mm的正十 七烷-聚甲基丙烯酸甲酯相變微膠囊。其中正十七烷是芯材，聚甲基 丙烯酸甲酯是殼材，包覆率為37%.這種相變微膠囊經(jīng)過5000次凍 融循環(huán)后儲(chǔ)熱能力和相變溫度幾乎不發(fā)生改

15、變，芯材與殼材不會(huì)發(fā) 生化學(xué)反響。尚建麗等23 以石蠟為芯材，聚脲和聚氨酯為壁材， 采用界面聚合法制備了單層和雙層壁材的相變微膠囊，結(jié)果說明， 與同條件下制備的單層壁材微膠囊相比，雙層壁材微膠囊在合成過 程中反響充分、產(chǎn)率較高，在室溫環(huán)境下相變溫度為19.02C，且保 持了較高的相變潛熱(79.9J/g)，適合于建筑用相變材料。Su等24 采用原位聚合法，以甲醇改性三聚氤胺聚甲醛為壁材，石蠟為芯材 合成相變微膠囊。FT-IR結(jié)果說明，這種原位聚合法在降低甲醇剩 余量的同時(shí)，還可以增強(qiáng)材料的交聯(lián)構(gòu)造。通過改變合成過程中的 轉(zhuǎn)速可以有效控制合成微膠囊相變材料的粒徑。2.2脂肪酸及其衍生物的應(yīng)用脂肪

16、酸及其衍生物因其良好的蓄熱性能和低廉的價(jià)格被廣泛應(yīng) 用在建筑節(jié)能領(lǐng)域。在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的飽和脂肪酸一般有癸酸、月 桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸。表210,12列出了這些飽和脂 肪酸的熱性能。從表2中不難看出這些脂肪酸的相變溫度均高于暖 通空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的冬季1822C，夏季2426C.因此需要將脂肪 酸的相變溫度降低。根據(jù)施羅德公式，將兩種或兩種以上的脂肪酸 熔融結(jié)晶可以得到特定溫度的相變材料，這樣的相變材料被稱為二 元（多元）相變材料Zuo等25制備了月桂酸-肉豆蔻醇二元相變儲(chǔ) 能材料，并制備了肉豆蔻醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%80%范圍內(nèi)的一系列低 共融相變材料。經(jīng)過DSC測(cè)試得知：隨著肉豆蔻醇含

17、量的增加，低 共融相變材料的熔融溫度逐漸降低;當(dāng)肉豆蔻醇的含量超過60%之 后，相變溫度那么逐漸增高;肉豆蔻醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，低共融相 變材料的相變溫度為24.33 C,相變潛熱為161.45J/g.為了測(cè)試低 共融相變材料的熱穩(wěn)定性，研究者分別進(jìn)展了 30次和90次凍融循 環(huán)，測(cè)試結(jié)果說明，無論是材料的比熱容還是相變潛熱都沒有發(fā)生 明顯的，說明低共融相變材料具有良好的熱穩(wěn)定性。為了防止材料在相變時(shí)發(fā)生泄露，對(duì)脂肪酸進(jìn)展封裝是必要 的。Li等26用不同的脂肪酸分別制備了相變溫度為19.1C、 22.1C、26.8C、35.2C、36.7C、53.2 。的二元脂肪酸相變材 料，然后用不同孔徑

18、的硅藻土與二元脂肪酸相變材料復(fù)合。經(jīng)DSC 測(cè)試，根據(jù)施羅德公式可以計(jì)算出不同配比二元脂肪酸的相變溫 度。硅藻土的孔隙構(gòu)造可以對(duì)脂肪酸進(jìn)展有效的吸附，從而防止材 料在相變時(shí)發(fā)生泄漏。二元脂肪酸-硅藻土復(fù)合相變材料的相變潛熱 較二元脂肪酸的相變潛熱降低57%，相變溫度少量升高。Wang等27用二元脂肪酸相變材料與聚甲基苯烯酸甲酯制備定 型相變材料，并對(duì)這種復(fù)合材料的微觀形態(tài)和熱性能做了表征。他 們分別用癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和硬脂酸作原料，根據(jù)不同比例 制備出4種相變材料，其熱性能如表3所示。另外，他們分別將4 種二元脂肪酸與聚甲酯苯烯酸甲酯混合，制得定型相變材料。經(jīng) SEM掃描發(fā)現(xiàn)，聚甲基苯烯

19、酸甲酯作為支撐材料將相變材料包覆在 其三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造之內(nèi)，在相轉(zhuǎn)變時(shí)不會(huì)發(fā)生泄漏。經(jīng)過凍融循環(huán)測(cè) 試后進(jìn)展DSC分析發(fā)現(xiàn)，月桂酸-肉豆蔻酸低共融相變材料含量為 70%時(shí)，潛熱值最大且不會(huì)發(fā)生泄漏。張?zhí)煊训?8,29 以多孔膨脹 石墨為載體、硬脂酸丁酯為相變材料制備了相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料，將 所得材料與脫硫石膏和高分子乳液BASF400混合制備了相變儲(chǔ)能石 膏板，發(fā)現(xiàn)當(dāng)m（硬脂酸丁酯）：m（膨脹石墨）=15： 1時(shí)，DSC測(cè)得復(fù) 合材料的相變溫度為16.2C，相變潛熱為112.4J/g.在張?zhí)煊训妊芯?的根底上，Shi等用石膏將吸附相變材料后的石墨成型，他們發(fā)現(xiàn) 石膏質(zhì)量不超過總質(zhì)量的5%可以保證定型相變材料的儲(chǔ)熱性能和力 學(xué)性能最正確。王宏麗等30用真空