相变材料范文
时间：2023-03-04 21:23:17
相变材料范文第1篇
[关键词] 相变材料 微胶囊相变材料 前景
1 相变材料
相变材料PCMs(Phase Change Materials)是指在一定狭窄明确的温度范围,即通常所说的相变范围内可以改变物理状态,如从固态转变为液态或从液态变为固态的材料。在相变过程中,体积变化很小,热焓高,因此以潜热形式从周围环境吸收或释放大量热量,热的吸收量或释放量比一般加热和冷却过程要大得多,而此时PCMs的温度保持不变或恒定。在服装上应用时,相转变温度范围应和人体温度变化范围相似,以利于保持恒定的皮肤温度。我们最常见的相变材料就是水:当温度低至0℃时,水由液态变为固态,当温度高于0℃时,水由固态变为液态。在结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量,而在溶解过程中会吸收大量的热能量。冰的数量(体积)越大,溶解过程需要的时间越长。这是相变材料的一个最典型示例。从水的例子中可以看出,相变材料的这种特性在节能,温度控制等领域有着极大的实践意义,实际上可作为能量存储器来使用。因此,相变材料及其应用已成为广泛的研究课题。对纺织领域来讲,相变材料尚属新型材料,其在纺织服装领域内大有用武之地。该材料可广泛应用于制冷业、长期室外作业人员,以及特种行业,如坦克兵、航天员的服装使用材料。相变材料主要分为三种,由于相变材料在液态时易于流动散失,在服装上使用必须采用微胶囊相变材料。
2 相变材料的分类
2.1无机相变材料和有机相变材料
硫酸钠基防护服可以用到无机相变材料,其相变温度为15℃,相变焓为18OJ/g,目前已进入实际应用阶段。该材料以硫酸钠盐为主相变剂,用添加剂来控制材料的熔点,改善材料的形态,提高材料的综合性能,找出影响材料性能因素及最佳工艺控制条件,掌握了材料的加工工艺、制备温度、存储方法等手段。大量研究表明,所得到的材料在保证了必要相变温度的条件下,仍有较大的相变焓,同时,在长期使用的过程中也确实表现出了较好的稳定性。
经大量研究表明,以醇为主相变剂,高级烷烃等为辅相变剂,得到相变温度为23℃,相变焓达到200J/g-220J/g的有机相变材料,是一种较好的制备方法;通过用DSC和TG对相变材料的热稳定性、重复稳定性和膨胀性进行的分析表明,该材料是一种膨胀率低、稳定性很好的相变材料。
2.2微胶囊相变材料
相变材料在液态时易于流动散失,在服装上使用必须采用微胶囊相变材料MPCMs(Microencapsulation of Phase Change Materials)。微胶囊相变材料是将微胶囊技术应用于相变材料而形成的新型复合相变材料,微胶囊化是将直径1～1000um的固体或液体粒子埋入硬壳的物理和化学过程。得到微胶囊的物理工艺包括喷射烘干、离心流动床或涂层。化学工艺是通过界面缩聚以聚酰胺或聚亚氮酯为壳,反应原理是通过使用水溶聚合物和高速搅拌机将一种油类乳化在水中形成所需类型的稳定乳状液。加入可溶的三聚氰胺甲醛树脂。由于加入酸的作用引起缩聚反应,交联树脂开始形成,并且沉积在油滴和水相界面之间。在壳壁硬化期间,就形成了微胶囊结构和聚合物油滴胶囊的水中分散。
纺织品使用的MPCMs直径为人发直径的1/2,有时只有人发直径的1/20,这些小容器非常象装满了相变材料的乒乓球,壳体不仅小,而且经久耐用,可以填充却不会溶解。这种MPCMs可放人纤维和泡沫中,或作为涂层材料用于多种织物和泡沫材料,并且能经受进一步的纺织机械加工、热和化学处理等。
3 相变材料的作用机理
当环境温度或人体皮肤温度达到服装内MPCMs溶点,其吸热从固态转化为液态。在服装层内产生短暂的致冷效果(见图1)。热能可能来自人体也可能来自外界温暖环境。一旦PCMs完全溶解,储能结束。如果PCMs服装在低于PCMs冰点温度的寒冷环境中使用,服装温度低于转换温度,液态MPCMs将变回固态,释放出能量提供短暂的加热效果(见图2)。这种热转换在服装内起缓冲作用,减小皮肤温度的变化,延长穿着者的热舒适感。
如果在服装上使用,希望其相变温度在33℃。但是所使用的MPCMs相变温度不一定就是33℃,而是比这一温度高几度和低几度的MPCMs混合后应用于服装。只有这个温度下,一半的固态相变材料吸热溶解成液态,不至使皮肤温度过高,而另一半的液态放热凝固成固态,释放热量,不至使皮肤温度下降过低。
4 微胶囊相变材料服装
由于相转变过程比较短暂,在恒温环境中PCMs没有任何作用。因此,穿着者必须活动以引起PCMs面料的温度变化或者经常在有温差的两个环境中工作,以保证PCMs发生相变吸热或放热。此外,含PCMs的服装层必须具有热量传导作用,能让PCMs感受到温度的变化。
4.1改变环境温度
有些人需要不停地从冷库或运输车到室内或外界温暖环境工作。PCMs防护服可以为这些在温度变化环境中工作的人提供舒适。在这些使用场合中,PCMs的相变温度应该设定为温暖环境时液态,寒冷环境时固态。
PCMs面料的研发与生产人员声称该面料具有动态保暧性,在寒冷环境中比常规保暧材料的保暧时间更长,并且使用PCMs面料作户外服装可减小重量和体积。毫无疑问,相变材料从液态到固态要释放能量,然而只有PCMs在服装生成足够的热量以弥补人体向环境散失的热量时,其才能有效改善服装的热舒适性。即使所有的服装均使用PCMs,当穿着者从室内到室外时,也并不是所有的PCMs发生相变。热量从温暖的人体流向冷环境,从皮肤表面经服装层到外界环境存在着温度梯度。即使人进入更冷环境,但内衣层与人体皮温接近,PCMs仍处于液态。而服装外层的PCMs已遇冷固化放出热量。PCMs固化后,放热就停止了。因此,有一定厚度的保暧系统在持续冷暴露时能有效维持热舒适性。
当人们穿着防火服在高温下短时间作业时,PCMs可以提供短暂的致冷效果维持人体舒适和安全。此时并不需要PCMs凝固放热,石蜡基PCMs的加入会增加面料的可燃性,所以只能在防火面料里层使用。
有些工作需要不时的接触冷或热的物体,因此PCMs手套的相变温度设定在环境温度与冷或热物体的温度之间。如果工人反复的短时间接触物体,PCMs的相变就可以发生,温度缓冲作用得以继续,手套里层必需使用薄面料。
4.2改变皮肤温度
某些工作和运动要求人们时动时静。人体活动越剧烈,产热越多。只有活动程度和代谢产热发生变化时PCMs才能改善人体的舒适度。PCMs服装能吸收人体由于运动产生的大量体热,提供暂时的凉爽效果。当人体处于安静状态时PCMs重新固化放出热量(假设空气温度低于皮肤温度),这就称为PCMs的热调节效应。在这种情况下使用的PCMs的转变温度必须设定在人体代谢产热变化时最高与最低皮温之间。在运动时人体的皮肤温度变化只有几度,但是却会产生大量的体热。例如,在下坡滑雪运动中的产热量是静坐时的5倍,但皮肤温度却没有成比例增加。首先皮肤表面的血管舒张,皮肤温度略微升高,热量慢慢散失到周围环境中。然而剧烈活动后这种生理散热无法去除过多体热,人体就开始出汗,汗水蒸发会带走热量,提供自然的凉爽感。因此PCMs只有在靠近皮肤层发生相变才能有凉爽效果,如果在外层就不会有任何作用。
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人体不同部位的皮肤温度不同。头部平均温度高于脚部。此外,皮肤温度的个体差异范围,通常高于同一人运动后皮肤温度的变化范围。对防护服的设计者来说,通过皮肤温度的微小变化使PCMs具有热调节效果是一项艰难的工作。
5 研究现状
自1985年以来,NASA、USAF等机构先后资助了10余项该方面的研究工作,近年来,中国、法国、德国和韩国等国家也先后资助了这方面的研究工作。
1987年,USAF资助的一个项目,旨在开发用于极端低温环境中工作的飞行员和地勤人员手套,该项目促成了MicroPCMs用于纤维,该技术获得了美国专利。1995年NAVY进行了一项研究,将含有MicroPCMs的纤维用于寒冷环境下使用的袜子,这种袜子独特的热性能使其能够免于象普通袜子那样受压缩和潮湿的影响。
Outlast、Frisby和3M等纺织公司参与了产品的开发,已经开发出的腈纶纤维制品中含有MicroPCMs,纤维已经用于滑雪服、睡毯、内衣、袜子、手套等的开发。这种纤维织物表现出了静态和动态两重保温性能,在降温过程中其总体保温性能高于普通纺织品,而在升温过程中,其总体保温性能低于普通纺织品。
ReeBook、Polo等4O余家知名体育运动用品公司在开发新产品过程中使用了这类纺织品。NSF资助开展的MicroPCMs用于丙纶和涤纶纤维技术也在进行中。
采用MicroPCMs研制出的蓄热调温织物目前己用行员手套。还对这种纺织品用于高马赫数飞机飞行员服装进行了研究。美国空军消防研究所实验了将该类纺织品用于消防服隔热衬,在100s时间内,该内衬的温度比普通羊毛内衬低了294K。
1995年美国海军研究机构的工作人员研究了由蓄热调温纤维和3M公司Thinsulate纤维组成的干式潜水服的保温性能,取得了令人满意的效果,这种潜水服的外层采用防水透湿织物,可以使潜水员在3h内保持温暖,而普通潜水服只能在1h内保持温暖。潜水员使用的头盔、手套和袜子也同时得到了开发。
6 前景
MPCMs的出现,引入了热调节功能纺织品的概念。含MPCMs的服装有效地改善了人体与服装间的微气候。但受当前技术发展的限制,其热调节功能不是无限的。只有当穿着者不停往返于存在温差的环境中时,MPCMs服装的温度不断地变化,服装中的MPCMs才能最大地发挥作用。
MPCMs的研究在一些方面已经获得了很好的应用,无论从提高效率角度考虑,还是从环保角度考虑,MPCMs的未来发展前景都是光明的,可以预见,随着MPCMs制造技术的进一步成熟,它将对我们的生活发挥越来越重要的作用。
参考文献:
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相变材料范文第2篇
关键词：相变储能材料 优化设计 溶胶凝胶 制备技术
中图分类号：TQ02 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0095-02
随着科技飞速的进步，人类对能源的需求日益增加，对能源的利用率提出了越来越高的要求。储能技术“削峰填谷”的作用对提升能源的利用效率具有重要意义。近年来相变储能材料在能源的充分利用研究领域中处于十分活跃的地位。相变材料（Phase Change Material， PCM）是指在一定的温度范围内可改变物理状态的材料，以环境与体系的温度差为推动力，实现储、放热功能。
随着微纳加工技术的发展，航空航天领域中的电子元器件向高功率化、小型化等方向发展。随着飞行器速度不断提升，电子元器件的温控问题已经成为影响器件可靠工作的关键。资料分析显示：电子元器件的温度每升高2 ℃可靠性下降10%，因此航空航天领域中电子元器件可靠地温度控制是飞行器正常运行的重要保障。目前被广泛应用于解决电子元器件散热问题的导热界面材料不能满足航天领域电子元器件的温控需求，对于此类处于较高温度的密闭环境体系中高密度电子元器件的热保护必须采用一种新型的热控技术，即相变储热式温控技术。相变材料被提出装配于电子元器件和散热片之间，通过相变过程的相变潜热吸收电子元器件工作产生的热量，达到控制电子元器件温升，保证电子元器件可靠性的目的。同时，相变材料具有常温下呈固态，可以制成垫片便于装配，达到一定温度后融化润湿配合界面，降低界面热阻，是替代界面导热材料的新型热控材料。
针对目前复合相变储能材料存在的问题，研制二元有机/无机纳米复合相变储能材料，以无机层状化合物为载体基质、二元有机储能材料为工作成分，利用插层离子交换技术将储能纳米粒子填充到无机片层纳米结构中，提高单位质量导热性能，通过溶胶-凝胶法制备出新型二元有机/无机纳米复合相变储能材料。在二元有机相变储能材料研究中，从增加材料的导热系数和储能密度展开研究，通过相变储能材料共混机理、复合相变储能材料优化设计，为固-液相变储能材料的优化设计提供技术支持。最终研制出的二元有机/无机纳米复合相变储能材料兼具高储能密度与高导热性能，将其应用于建筑节能领域（如墙体保温材料、砂浆等）、恒温保温纺织领域（如冷库出入、井下作业人员等），可以有效提高能源的利用率。
1 复合相变储能材料优化设计
在复合相变储能材料的设计阶段，体系的选取及合适的组分的确定都可以直接根据相图加以确定。
由于一些纯化合物具有较高的相变焓，是很好的相变储能材料，但其中大部分纯化合物的熔点高于实际应用要求的相变温度，并不能直接应用。如果能把这些物质进行混合，通过调节物质的比例来调节混合物相变温度，使其相变温度范围落在具体应用领域的舒适度范围内，并且具有较高的相变焓，就获得了高品质的相变储能材料，所以只有将它们进行复合，才能制备出符合要求的相变储能材料，即通过互相混合以降低相变材料的相变温度。
将两种纯化合物混合成理想溶液模型，两组分体系混合能达到最低的熔点，称为低共熔点。将纯化合物混合而成的溶液冷却，则获得的低共熔点温度为混合后相变材料的计算相变温度。
通过施罗德（Schroder）公式计算可得到两种单体不同混合比例对应的不变温度。低共熔温度时呈三相平衡：
（1）
在定温定压时，为使溶质A溶于溶剂B所形成的溶液和纯溶质A处于平衡，A在两相中的化学位必须相等。即：
（2）
公式中：为纯固体溶质A的化学位（摩尔吉布斯能）。在平衡时用饱和溶液中溶质A的摩尔分数为溶解度。
因为是理想溶液模型，所以 ，因此，
（3）
对上式两边取全微分，
在一定压力时，
由此得出，
（4）
式中，为混合物主要成分A的摩尔分数；为纯化合物A的熔化潜热， J・mol-1；为纯化合物A的熔化温度，KT含有化合物A的混合物的熔化温度，R为气体常数，8.315 J・kmol-1。
材料的熔点受到材料纯度的影响，纯度过低可能造成材料的熔点与其理论差值相差3 ℃，因此选用的原材料首先要用DSC方法测量其相变温度和相变焓，然后就可以利用测得的值（，）和公式（4）来计算二元混合物的低共熔点（，T）。
通过有机相变材料混合制成的二元复合相变材料，属于新的混合有机相变材料，其相变特性与原材料相比会发生很大改变，相变温度区间一般相对较大。借鉴无机相变材料减小过冷度的方法，在二元复合相变材料中添加形核剂，加速相态转化，可以减小材料相变温度区间。
2 复合相变储能材料制备研究
利用溶胶-凝胶法制备复合相变储能材料，金属醇盐中加入纳米粒子经水解和缩聚反应形成溶胶，通过搅拌使其混合均匀。在凝胶形成过程中，相变储能材料与溶剂一起被裹入一定结构和尺寸的孔或“笼”维网络结构，而相变储能材料则被均匀地分散、嵌入在二氧化硅的三维网络中，使其很难再溢出；从而将有机相变材料和无机物的结构、物理和化学特性充分的结合起来。
此外，凝胶孔大量地以闭合孔的形式存在，在化学惰性的密闭孔中密封了大量的相变储能材料，形成了所谓“笼效应”，使得相变储能材料被包覆在“笼”中，在宏观上始终呈现固体状态。
溶胶-凝胶法的主要原理是将酯类化合物或者金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其他组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理制成产品。基本反应为水解反应和聚合反应。
（1）水解反应：对金属醇盐M（OZ）n而言（其中n为M的原子价），金属醇盐的水解反应式如下：
（2）缩聚反应：金属醇盐的缩聚反应与水解反应同时发生，分为失水缩聚和失缩聚：
（3）总反应：
式中，M为金属；Z为有机基团，制备的溶胶中含有大量的水和醇，经干燥、焙烘除去溶剂可得到具有网络结构的凝胶。
2.1 溶胶制备研究
溶剂：制取含金属醇盐和水的均相溶液是溶胶凝胶制备的关键，以保证醇盐的水解反应在分子的水平上进行。
金属醇盐：过渡金属醇盐一般都具有配位数增高的趋向。带有部分正电荷的金属原子，通过其空间轨道接受亲核配体提供的电子，使配位数增高，这通常要借助于溶剂化齐聚作用。
水的加入量：水的加入量习惯上以水与醇盐的物质的量比计量，用表示。由于水本身是一种反应物，水的加入量对溶胶的制备及其以后的工艺过程都有重要影响。研究表明水的加入量对溶胶的粘度，溶胶向凝胶的转变以及胶凝化作用的时间均有影响。要获得清澈透明的凝胶必须在的条件下。
水解温度：提高水解温度对醇盐水解速率是有利的，特别是对水解活性低的醇盐（如硅醇盐）。为了缩短水解时间，常常需要在加温条件下操作，此时制备溶胶的时间和胶凝时间会明显缩短。
催化剂：催化剂可以是酸、碱或者它们的混合物，在催化剂的作用下，水金和属醇盐发生水解反应，水解反应以及胶凝时间受到催化剂的种类的显著影响。
2.2 催化剂在溶胶-凝胶中的作用机理研究
溶胶-凝胶反应过程以及生成凝胶的结构及粒度受到催化剂的显著影响。在溶胶-凝胶法制各复合材料过程中，胶体特性受催化剂种类的影响极大，从而最终对复合材料的结构与性能起到只关注重要的影响作用。
加入溶液中的酸或碱起到调节溶液的酸碱度作用的同时具有催化作用。本文拟用氨水来调节溶胶的pH值。在氨水催化条件下，氢氧根离子的作用使硅原子带负电性并导致其电子云向另一侧的-OZ基团偏移，使该基团Si-OZ键减弱并最终断裂。水解机理如下：
水解过程由于位阻效应的影响，通过不断聚合作用、水解作用形成一线性硅氧链，随着硅氧链的伸展、交联，最后形成了线联的三维无规网络结构。
3 复合相变储能材料的应用
我国大量的钢铁、机械制造等企业每年对于煤、电、天然气等需求非常严重，尤其是电力负荷的需求，日趋严重。采用复合相变储能材料，可以用于工业余热回收、电力的峰调等，有效解决我国日益严重的能源缺乏问题。
以普通的热水储热器与相变储能器为例，同样的5 L供热水量，同样的输出功率：200 kW，同样的输入功率：196 kW。每天消耗的电费差别相当大，相变储能器为379元/天，热水储热器为1288元/天，变储能器可节省电费：1288-379=909元，单以次计算，每年可节约电费33万余元，节电效果非常明显。
节能环保、可持续发展是我国目前工业建设的发展趋势。相变储能材料能够有效地节约能源，缓解能源问题，提升能源利用效率，提高热转换效率。尽管人们对相变储能技术的研究虽然只有几十年的历史，但它的市场前景十分广泛己日益受到人们重视。
参考文献
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相变材料范文第3篇
摘要：潜热型功能热流体是近年来提出的一种空调新技术，分为微胶囊乳状液和相变乳状液两大类。自制微胶囊乳状液的热性能在参考文献[1]中给出了详细介绍，本文则着重介绍了潜热型功能热流体的第二类“相变乳状液”。其中，相变材料的热性能是相变乳状液中极为关键的部分。文中首先给出了DSC（Differential Scanning Calorimeter）和参比温度法（T-history method）[2]所测相变材料热性能的结果，同时测量了自行配制的相变乳状液的相变温度和潜热。这种相变乳状液的相变温度与空调工况（7℃~12℃）尚有一定距离。在该种相变材料的基础上，重新探索了复合相变材料“十四烷与十六烷的二元混合物”，并制备了相应配比的相变乳状液，其相变温度及潜热完全符合我们的使用要求。
关键词：相变材料 乳状液 相变温度 潜热
1 引言
近年来，我国城市白天电力能耗逐年增加，而夜间耗电量小且电价便宜，“削峰填谷”是解决这一问题的一种途径。目前，多种蓄冷系统被广泛使用来消减白天耗电量并蓄积冷量。但是，除了冰晶制冰方式（需要专门的动态制冰机）以外，各种固态蓄冰方式（包括冰球）的蒸发温度至少要达到-8 ~ -10℃或者更低，与之配套二次冷媒的温度也必须在-6℃以下，这使得大量蒸发温度在零上的高效冷水空调机组无法，而且蒸发温度越低，制冷系数也越低，电耗就会越大[3]。潜热型功能热流体则不然，它的蓄冷温度可以与空调工况吻合得很好，同时蓄积大量冷量。
潜热型功能热流体是由特制的相变材料微粒(尺寸为μm量级)和单相传热流体水混合构成的一种固液多相流体，分为相变乳状液和微胶囊乳状液[1]。相变乳状液将相变材料直接分散在水中形成乳液，其传热性能优于微胶囊乳状液，但是易堵塞管道；微胶囊乳状液是用高分子聚合物包裹相变材料形成微囊，该微囊被分散在水中又形成乳液，由于有聚合物外壳包裹，微胶囊乳状液不易堵塞管道，但传热性能要逊于相变乳状液。潜热型功能热流体的蓄冷密度比较大，材料来源广泛，价格低廉，最独特的地方还在于乳液发生相变前后都能够保持流动状态，这为实现蓄释冷过程中的强化传热创造了条件。借助对流与导热相似理论，我们已经建立了功能热流体管内湍流流动的内热源模型, 并指出了潜热型功能热流体换热强化的物理机制[4-10]。
天津大学赵镇南[11-12]、日本的H. Inaba等[13]对相变材料为十四烷（C14H30，融点5.8℃，潜热229kJ/kg) 的相变乳状液的热物性进行了初步的探索。本文系统的介绍了十四烷为相变材料的相变乳状液的相变性能。尝试了新相变材料“十四烷与十六烷的二元混合物”，测量了其相变温度和潜热，并寻找到温度适宜的相变材料。通过添加乳化剂制备了20wt%新相变材料的乳状液，测量了相变乳状液的相变温度和潜热。
2 以十四烷为相变材料的相变乳状液
相变材料十四烷C14H30：购自辽宁省抚顺市抚顺化工厂。
2.1 相变材料十四烷的相变温度与相变热的确定
2.1.1 DSC测量方法
用DSC2910示差扫描量热仪测定热特性，用高纯标准样品校准温度及热焓，高纯氮气保护，氮气流量为50mL/min，试样量为1～3mg，扫描温度范围为-30 OC～ 30 OC。测量时先从30 OC降温至-30 OC，再重新升温至30 OC，十四烷质量为1.800mg, 加热和冷却速率为5OC/min，升降温过程融解热基本相同，降温过程为207.61J/g，升温过程为192.62J/g，接近理论潜热229J/g。但升降温过程相变温度有显著差异，十四烷的融点为5.39 OC,比较接近理论值5.8 OC,而降温过程则由于DSC测样量过少（仅为1.800mg），发生了明显的过冷，凝固点仅为1.68 OC。
2.1.2 参比温度法原理及测量结果
根据参比温度法原理[2]，自行搭建了实验台，测量了相变材料降温过程的凝固点。
测试装置如图1所示。热针指铜－康铜型热电偶（直径0.5mm），沿中心轴线方向放在针状套管中,测温精度±0.3℃。热针与HP34970A数据采集仪连接，通过PC机来记录相变材料的温度变化。相变材料和水分别放在相同规格的试管（试管的半径为6mm，管长为10.5cm）内，它们在试管中的Bi数（Bi=hR/2k，R为试管半径，k为相变材料的导热系数，h为试管外空气的自然对流换热系数）均小于0.1，故可认为试管内液体温度是均匀一致的，其传热分析可采用集总热容法。
测量时，先将装有液体PCM、水、空气的试管放入恒温箱（或冰箱）中，恒温箱初始温度To>Tm（相变材料的相变温度），温度达到To后，调节恒温箱的温度，使其以1℃/min的速度降至0℃左右。PCM在降温过程中发生凝固，凝固温度记录在HP数据采集仪中。
表一给出了DSC法和参比温度法所测结果的区别。从表一中可看出，参比温度法测样量4.2g，远大于DSC的测样质量（1.800mg），测得的凝固温度过冷很小，与十四烷融解温度（5.39℃）仅有0.34℃的温差。
表一 DSC法与T-history法测相变材料十四烷的凝固温度
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相变材料范文第4篇
【关键词】能源 太阳能 相变材料
1 研究背景
随着社会的不断发展、现代化建设的不断推进，人类生活对能源的需求更加广泛，从某些方面而言，现代人类生活的方方面面已经离不开能源的存在。因此，能源开发、能源技术的发展已经成为了一个全世界、全人类一同关心的重要问题。自然界中的能源在人类的不断开发下已经不再充裕，而天然能源的不可再生性使得人类必须寻求新的能源，发展新的能源开发技术来替代非再生能源。科学发展观思想，是中国政府加快发展现代能源产业的指导思想，中国坚持节约资源和环境保护的基本国策，贯彻落实可持续发展战略，建设创新型社会，为维护世界能源安全发挥了重要的作用。
在工业生产过程中，通常会有大量的反应热量未能得到利用就浪费，而在需要供应热量的反应中又有大量的余热被损失，这些都是在化学反应中我们希望避免的现象，因此，我们需要找寻一种材料，这种材料能随着温度的变化而改变物质状态并提供潜热，即当反应时，材料能将这些没有利用的热量或冷量储存起来，当反应需要时再将其释放出来，这种材料，我们称其热储能材料。几十年来，人们对热能储存材料的广泛研究已经使这种材料得到大量应用，并逐渐成为了一种重要的新型材料。
当今困扰人类的环境问题中，全球变暖问题越来越突出，节能减排已经成为了社会建设的一大重点审查方面，因此我们必须加速新能源的开发及应用。目前，冬天在北方地区采取的是集中供暖的政策，这是出于北方的寒冷气候、能源状况及居民生活习惯等因素而实施的，而南方地区却没有实施这一政策，主要是因为南方冬季有充足阳光，气候较北方温暖，经全方位审核尚不需要集中供暖，而且一旦南方也采取集中供暖的政策，国家每年的能耗将大大增加，二氧化碳、二氧化硫及烟尘排放量也将急剧上升，环境污染将进一步加剧。因此对于南方居民来说，更现实的选择是采取其他的供暖方式，而在现今的众多取暖方式中，太阳能地暖供热系统成为了首选，太阳能是一种可再生能源，采用这种方式的取暖，既节省了资源又保护了环境[2]。在相变材料研究中，我们初步确定乙二醇，水，膨胀石墨的混合液体具有这种优于水的性能，通过一系列实验，我们将验证这一事实，从而能将这种混合液体用于太阳能地暖供热系统中。
2 实验部分
2.1 实验材料
相变材料聚乙二醇（PEG），水，相变材料膨胀石墨（EG）。
2.2 实验步骤
（1）相变材料聚乙二醇（PEG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中聚乙二醇分子式为：HO（CH2CH2O）nH，分子质量为6000。熔点为57°C。羟值为15―20之间。粘度为12―16之间。放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C。
（2）相变材料聚乙二醇（PEG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中聚乙二醇分子式为：HO（CH2CH2O）nH，分子质量为6000。熔点为57°C。羟值为15―20之间。粘度为12―16之间。加热至60°C后的散热时间：
（3）相变材料聚乙二醇（PEG）含量20%的水溶液（体积200ml），其中聚乙二醇分子式为：HO（CH2CH2O）nH，分子质量为6000。熔点为57°C。羟值为15―20之间。粘度为12―16之间。放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C。
（4）相变材料聚乙二醇（PEG）含量20%的水溶液（体积200ml），其中聚乙二醇分子式为：HO（CH2CH2O）nH，分子质量为6000.熔点为57°C。羟值为15―20之间。粘度为12―16之间。加热至60°C后的散热时间：
（5）相变材料膨胀石墨（EG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中膨胀石墨的型号为KD9950200放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C。
（6）相变材料膨胀石墨（EG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中膨胀石墨的型号为KD9950200放于烧杯之中。烧杯加热至°C后进行散热。
（7）相变材料膨胀石墨（EG）含量20%的水溶液（体积200ml），其中膨胀石墨的型号为KD9950200放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C。
（8）相变材料膨胀石墨（EG）含量10%的水溶液（体积200ml），其中膨胀石墨的型号为KD9950200放于烧杯之中。烧杯加热至60°C后进行散热。室温20.3°C。
（9）水溶液200ml，放于烧杯之中。将烧杯放于60°C的水浴内加热。室温20.3°C。
（10）水溶液200ml，放于烧杯之中。烧杯加热至60°C后进行散热。室温20.3°C。
3 实验结论
经过以上实验可以得出结论：相变材料聚乙二醇相较于水而言，吸热过程较慢，同样散热过程也较慢，且相变材料聚乙二醇的熔点为57°C。当温度达到57°C时发生相变。相变材料膨胀石墨相比水来说，吸热过程较快，散热也较快。而当这三种溶液混合后，能较好的达到吸热过程比较快，同时散热过程较慢的的效果。经过多次反复的实验，发现聚乙二醇13%膨胀石墨9%为三种溶液的最佳配比。
太阳能是一种可再生能源，且绿色无污染，是一种较为重要的能源，被认为拥有较好的应用与发展前景。但太阳能不具备稳定性：在夜间无辐射，且在不同的天气、时间、季候都将有不同的辐射量，因此，专家一直致力于太阳能的储存及释放。而相变储能材料却能在太阳能的研究中得到利用。本论文所验证的相变材料聚乙二醇，水，膨胀石墨的混合液体就可很好的应用在太阳能地暖供热系统中。除此之外，这一相变材料还拥有广阔的应用前景，值得更多研究。
参考文献：
[1]张静，丁益民，陈念贻.相变储能材料的研究及应用[J].盐湖研究，2005，03：52-57+21.
相变材料范文第5篇
关键词定形相变材料贮能石蜡
1引言
利用相变材料的相转变潜热或蓄冷，温度变化小、蓄能密度大，在太阳能利用、工业余热和废热回收及建筑采暖和空调节能等领域有着广阔应用前景[1]。传统的固液相变贮能材料在实际应用中，都需用容器封装，增加了传热时相变材料与外部传热介质间的热阻，降低了传热效率，且增加了封装成本。定形相变材料是由相变材料和高分子支撑和封装材料组成的复合贮能材料，由于高分子囊材的微封装和支撑作用，作为芯材的相变材料发生固液相变时不会流出，且整个复合材料即使在芯材熔化后也能保持原来的形状不变并且有一定的强度。该类材料有以下优点：无需封装，不泄漏，从而减小了封装成本和难度，并减小了相变材料和传热流体间热阻。该类材料在建筑暖通空调领域及建筑材料领域有着较为广阔的应用前景。
inaba教授[2]较早研究了高密度聚乙烯和熔点54℃的石蜡体系混成的定形相变材料的热物理性质，石蜡掺混比例为74wt%。叶宏等人[3]也对石蜡和高密度聚乙组成的定形相变材料进行了研究，他们用几种高密度聚乙烯和熔点在58℃左右的精炼和半精炼石蜡作为原料，石蜡在定形相变材料中所占比例为75wt%。法国的xavierpy等人[4]制备了石蜡-膨胀石墨定形相变材料，并研究了体系的热物理性能，石蜡掺混比例为65wt%～95wt%。华南理工大学的肖敏等人[5]研究了石蜡和热塑弹性体sbs组成的复合相变材料在加入石墨后热传导性能的提高，他们加入的石蜡含量在20wt%～80wt%范围内。定形相变材料研制中多以高密度聚乙烯、sbs或石墨为支撑材料，石蜡为相变材料，对定形相变材料的均匀性分析不够，对支撑材料类型及石蜡掺混比对定形相变材料材料性能的影响讨论不够充分。
本工作应用不同熔点的石蜡和一些高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯及橡胶作原料，研制出一些定形相变材料。对材料的均匀性进行了分析，并对相变材料的的掺混比进行了讨论。用dsc差示扫描量热仪和电子扫描显微镜等仪器对材料进行一些结构和热性能方面的分析研究，其中应用低压聚乙烯和石蜡共混，石蜡所占比例最高达到90wt%。
2实验
2．1实验试剂
切片石蜡，熔点48～50℃；半精炼石蜡，熔点56～58℃，58～60℃，60～62℃；精炼石蜡，58～60℃；低压聚乙烯，j-0；高压聚乙烯1l2a；高压聚乙烯，1f7b。
2．2实验仪器
平板硫化仪、dsc2910差示扫描量热仪、橡胶塑料实验机、sf-11型塑料粉碎机、电子扫描显微镜。
2．3实验内容
首先用不同熔点的石蜡和低压聚乙烯共混形成定形相变材料，然后采用不同种类的高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯以及sebs作为支撑材料制备出不同的定形相变材料，对它们的性能进行了研究分析。对定形相变材料进行dsc测试，升温速率5℃/min。对一些材料的微观结构用扫描电子显微镜进行了研究分析。
3结果分析
3．1dsc分析结果
3.1.1不同支撑材料与48#切片石蜡的实验
用切片石蜡和不同类型低压聚乙烯和聚丙烯进行了实验，石蜡所占的质量百分比相同，可以从图1看出有些hdpe组成的材料潜热值偏低，一方面由于材料本身造成的，材料各处潜热测量值有差异，另一方面则是由于材料和工艺的适应性不好。研制定形相变材料时，针对不同的材料，要相应的调整制备工艺。
3．1．2不同熔点石蜡实验
我们对j0型hdpe与不同熔点石蜡混制备定形相变材料进行了实验，可以看出相同比例的精炼、半精炼石蜡组成的定形相变材料潜热值判别不大，而这个差别是由于原材料的潜热不同造成的（表1）。可以以不同熔点的石蜡为原料制出一系列不同熔点范围的定形相变材料，应用到不同领域中去。
3.1.3材料均匀性
我们分别在两个定形相变材料试样（组成材料一样，石蜡所占百分比不同）的4个不同部位分别取样进行dsc分析，得结果见图2，从图中我们可以看出同一试样不同部位相变潜热值差别不大，差别在10%以内，说明定形相变材料中石蜡分布较均匀。
3．1．4潜热测定及石蜡掺混比临界值讨论
从60#石蜡dsc测试曲线（图3）可以看出，60#石蜡有两个相变峰，每个相变峰出现在40℃附近，较小，第二个相变峰出现在60℃，较大。从定形相变材料的dsc曲线（图4，5）中同样可以看到这两个相变峰，聚乙烯熔融的峰出现在120℃附近。可以看到两者的温度差约为60℃，能够保证在定形相变材料中石蜡发生相转变由固态变成液态时，聚乙烯能支撑结构使得材料形态不变。由dsc测得的相变热和用石蜡所占百分比概算得的结果差别不大。图6为含不同比例的石蜡的定形相变材料的潜热，石蜡含量在70%～90%之间，材料的相变热在130～175kj/kg，可以看出潜热值随石蜡所占比例增加近似线性增加。为了实现支撑材料的对整体结构的支撑作用，支撑材料在定形相变材料中所占比例应有一个下限，即石蜡所占比例有一个上限，在制备定形相变材料时，石蜡比例达到90%时，定形相变材料有一些渗出现象，所以石蜡在定形相变材料所占质量百分比的不宜大于90%。
3．1．5其他
用hdpe和60#石蜡混和，石蜡掺混比达到80wt%时，定形相变材料性能较好，材料潜热测量值达到144.4kj/kg。
3．2扫描电子显微镜分析结果
利用扫描电子显微镜对用低压聚乙烯和60#半精炬石蜡（熔点60～62℃）制成的定形相变材料进行了结构分析。对定形相变材料的脆断面进行了拍照观察，然后用有机溶剂溶去石蜡对hdpe构架进行了观察。
对定形相变材料断面用有机溶剂浸泡后溶去石蜡后的表面分析，得到图7和图8的扫描电镜照片。浅色部分为聚乙烯的形成的骨架，深色的部分为石蜡被浸泡溶去后形成的凹陷。可以看到，定形相变材料分布较均匀，聚乙烯形成了空间的网状结
构。在石蜡熔融时，聚乙烯能够起到的支撑和封装作用，使材料的整体武装不发生变化。
4结论
可用不同类型的高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯等一系列高分子材料作为支撑和微封装材料，不同熔点、不同类型的石蜡作为相变材料，制备系列定形相变材料，其中石蜡质量百分比可达80%，潜热较高，均匀性较好。有望作为相变地板应用到房屋建筑当中，并且可能和其他材料混合作业一种新型的建筑材料。下一步需要继续改进材料制备的工艺，改善材料的力学及其他性能。
参考文献
1张寅平，胡汉平，孔祥冬等，相变贮能-理论和应用，合肥：中国科学技术大学出版社，1996
2hinaba,pt.heatandmasstransfer,1997,32(4):307--312
3yehong,gexinshi.solarenergymaterials&solarcells,2000,64(1):37～44
4xavierpy,pegisolivs,sylvainmauran.heatandmasstransfer,2001,44(14):2727～2737
相变材料范文第6篇
关键词：微胶囊；相变材料；制备方法；应用
中图分类号：TB34 文献标志码：A
Progress in the Research of Microcapsule Phase-change Materials
Abstract： The research and applications of microcapsule phase-change materials have attracted wide attention of scholars both at home and abroad and now have become the research hotspots in the energy storage field. The paper introduced microencapsulation technology and the composition of microcapsule phase-change materials， particularly the two preparation methods for microcapsule phase-change materials： in-situ polymerization and interfacial polymerization. It also summed up the applications of microcapsule phase-change materials in textile industry， building industry and other fields and forecast their future development.
Key words： microcapsule； phase-change material； preparation method； application
相变材料由于在储能方面具有良好的控温性能，已广泛应用于纺织、建筑材料和其它控温应用领域。但热传导效率低这一缺点限制了其储能系统中能量的提取和利用，因此通过对相变材料进行封装，增大其比表面积，可提高传热效率。微胶囊化相变材料是利用微胶囊技术将相变材料包裹在壁材内，与传统相变材料相比，其粒径小，具有较大的比表面积且有更好的岽递效果。此外，微胶囊的核壳结构还可以起到保护相变材料的作用，防止其挥发泄漏。因此，实现固-液相变材料的宏观固化，拓宽相变材料的应用领域，提高其传热和使用效率，具有重要的研究价值。
1 微胶囊相变材料
1.1 微胶囊技术
微胶囊相变材料就是利用微胶囊技术，通过物理或化学的方法将具有特定相转变温度的相变材料进行包覆，形成微米级的胶囊结构。相变材料的微胶囊化解决了其泄漏、相分离及腐烛等问题，提高了材料的稳定性；同时，由于壳材较薄，胶囊粒径较小，材料的传热性能和加工性能得到了明显改善。
1.2 微胶囊相变材料的组成
目前，已经微胶囊化的相变材料以石蜡烃类为主，其它相变材料的研究相对较少。在一些建筑中，不同熔点的石蜡得到了广泛应用，这主要是由于纯烷烃的价格较高，而石蜡的价格较低，更易获得用户的青睐。
囊壁材料种类与微胶囊制备工艺直接相关，也直接影响微胶囊相变材料的使用性能。囊壁材料要求无毒、性能稳定、成壁性好、刺激性低，目前主要包括天然材料、半合成材料和高分子材料三大类。其中，天然高分子材料主要包括明胶、阿拉伯树胶和琼脂等；半合成高分子材料主要包括羧甲基纤维素、乙基纤维素和邻苯二甲酸醋酸纤维素；全合成高分子材料主要包括聚乳酸、聚醚、聚脲和聚硅氧烷等。
2 微胶囊相变材料的制备
微胶囊相变材料的制备主要有物理法、化学法以及物理化学法三大类，其中采用化学法制备的微胶囊相变材料因具有良好的致密性和热稳定性等而成为研究热点，其中尤以界面聚合和原位聚合方面的研究居多。鉴于此，本文重点对化学制备法中的原位聚合法及界面聚合法进行综述。
2.1 原位聚合法
在原位聚合法的胶囊化过程中，单体在微胶囊体系的连续相中是可溶的，而聚合物在整个体系中是不可溶的，因此在液滴表面，聚合单体产生相对低分子量的预聚物；当预聚物尺寸逐步增大后，沉积在芯材物质的表面，由于交联及聚合的不断进行，最终形成固体的胶囊外壳。
Yu等采用原位聚合法，以三聚氰胺-甲醛树脂为壁材，正十二醇为芯材合成了包封效率高达97.5%的微胶囊。他们将两种乳化剂SMA和0P-10以质量比4∶1复配作为乳化剂，在正十二醇投料质量分数为69%、乳化搅拌速度为4 500 r/min的制备工艺下得到相变温度为24 ℃，相变焓为167 J/g，平均粒径为30 μm的微胶囊相变材料。
Choi等合成了以正十四烷为芯材的微胶囊相变材料。研究发现，高速剪切乳化机的乳化转速是影响微胶囊尺寸和粒径分布的重要因素。随着乳化转速的增加，微胶囊的粒径逐渐减小并且分布的规整度有所提高。实验表明，最佳乳化转速为8 000 r/min。
史汝琨等制备的微胶囊产品平均粒径为149.3 μm，分散性较好。DSC测试结果表明，正十八烷熔融温度为35.9 ℃，熔融相变焓为307.1 J/g；结晶温度为21.8 ℃，结晶相变焓为298.8 J/g。相变微胶囊的熔融温度为35.5 ℃，熔融相变焓为228.1 J/g；结晶温度为19.0 ℃，结晶相变焓为219.0 J/g。从测试结果可以看出，胶囊化后相变材料的熔融温度基本没有发生改变，因此可以认为其相变行为没有发生改变；相变热焓却有较大幅度降低，这是因为胶囊化后壁材的存在降低了相变材料的传热性能，使其能量密度降低，因此相变焓降低。
刘美娟等进行了微胶囊的制备。结果表明，微胶囊平均粒径约为142.6 μm，正十八烷经微胶囊化后，完全分解温度从225.3 ℃提高到274.5 ℃，耐热稳定性明显提高。
王立新等以蜜胺树脂为壁材，一种有机复合材料为芯材，采用原位聚合法制得了一种相变点为24 ℃、相变焓为225.5 J/g的复合相变材料。实验结果表明：制备的微胶囊颗粒分布均匀，平均粒径为 5 ～ 6 μm，致密性较好，具有一定的强度。TG测试结果表明，由于壁材的保护作用，使得破裂后芯材的分解速度小于单一芯材的分解速度，这表明壁材对芯材进行了较为有效的包覆。
马烽等制得了平均粒径为10 μm、相变潜热为68.36 J/g的微胶囊相变材料。对所制备的微胶囊进行融化-凝固测试分析，结果表明，经过100次连续融化和凝固循环后，相变材料的总重量损失为1.2%，这说明所制备的微胶囊相变材料具有很好的致密性和稳定性。
原位聚合法制备的微胶囊相变材料具有良好的化学稳定性和机械强度，三聚氰胺-甲醛树脂和脲醛树脂已经广泛应用于微胶囊相变材料的壁材。但这种制备方法在胶囊壁材形成后不可避免会有甲醛残留，存在环境污染和危害健康问题。目前主要通过以下几种方法降低甲醛含量：（1）利用甲醇对其改性，通过增加壳材结构，使游离甲醛含量降低；（2）研究表明，氯化铵可以使残余甲醛含量从125 mg/kg降至12 mg/kg；（3）通过分 3 次加入三聚氰胺的方法，同样可以降低微胶囊相变材料中甲醛的含量。
2.2 界面聚合法
界面聚合法是将芯材乳化分散在一个溶有壁材的连续相中，然后单体经聚合反应在芯材表面形成微胶囊。该工艺简单方便，反应速度快，但反应过程中囊芯与反应单体、乳化剂等副反应的发生对微胶囊性能有明显影响。
Chen等以硬脂酸丁酯为芯材，采用界面聚合法制备了聚脲微胶囊相变材料。他们先把甲苯二异氰酸酯（TDI）和硬脂酸丁酯溶于有机溶剂环已烷中，而后将该混合物加入到含有乳化剂OP-10的水溶液中，以500 r/min的转速搅拌形成水包油（O/W）乳液，数分钟后将另一种水溶性单体乙二胺（EDA）加入其中，并在65 ℃下反应 2 ～ 3 h，最后得到相变温度为29 ℃、相变焓为80 J/g、平均粒径20 ～ 35 μm的微胶囊相变材料。
Zhang等合成了正十八烷聚脲微胶囊，聚脲由于具有良好的物理性能和化学稳定性被认为是一种理想的壁材，而且和三聚氰胺-甲醛树脂和脲醛树脂相比，不会引起环境和健康问题。
Tseng等使用二乙烯三胺（DETA）做U链剂与2，4-甲苯二异氰酸酯（TDI）反应，成功合成了包覆正十八烷的聚脲微胶囊相变材料。结果表明：乳化转速为3 000 r/min、DETA和TDI的摩尔比为1.01（DETA=3.6 g）时储热效果最好。
Pascu等用环氧树脂和羧酸合成了微胶囊相变材料，实验结果表明：在较低转速下会制得较大颗粒的微胶囊，粒径在100 ～ 400 μm之间，当转速增加到一定程度后，粒径降至10 ～ 50 μm。此外，研究发现，反应单体之间的交联影响微胶囊相变材料的表面形貌。
唐易达等用丙三醇改性聚脲树脂为壳体制备了微胶囊相变材料。其SEM图片表明，所制备的微胶囊平均粒径为3 ～ 6 μm，胶囊表面光滑致密。将微胶囊在120 ℃烘箱中持续烘干 1 h后发现，经过丙三醇改性后，微胶囊的致密性比未改性时有了大幅提高。
陆少锋等制备了以硬脂酸丁酯为芯材的聚脲微胶囊相变材料，当芯壁比为 2 时包裹效率可达93.2%，微胶囊具有良好的表面形貌。研究发现，分批加入DETA有助于提高微胶囊的致密性和耐热稳定性。
Wei等研发了一种可用于纺织产品的具有智能调温功能的微胶囊相变材料。SEM观察显示，微胶囊表面光滑，胶囊颗粒呈球形分布。所制备微胶囊的相变温度与人体舒适温度范围一致，相变潜热为118 J/g，经过计算得出石蜡的包封率为84%，且该胶囊在一定浓度的无水乙醇、丙酮及酸碱中具有很好的稳定性。
3 微胶囊相变材料的应用
目前，微胶囊相变材料已广泛应用于太阳能和核能储存系统、建筑节能、纺织纤维、服饰、泡沫塑料、涂层以及复合材料中。下文将主要介绍微胶囊相变材料在纺织、建筑等领域的应用情况。
3.1 在纺织品中的应用
20世纪80年代初，美国国家航空航天局（NASA）首先研究开发了一种智能控温纺织品。美国Outlast公司在Y. G. Bryant等人的技术基础上，在聚丙烯腈（PAN）的硫氰酸钠溶液中加入微胶囊相变材料，研制出了蓄能控温腈纶。微胶囊相变材料在纺织行业的应用发展迅速，特别是在西欧、日本及北美等地的应用持续增长。目前该材料已应用于多种纺织品中，如军用飞行员用保暖手套和作战靴、民用滑雪服、床上用品、汽车内饰、医用颈套和绷带等。
Giraud等采用聚氨酯做壁材将磷酸盐进行微胶囊化，将其整理到棉织物上，赋予织物阻燃性能。他们分别研究了聚醚和聚酯两种类型壁材微胶囊的阻燃性能，结果表明：经过两种微胶囊整理后的棉织物对于热传递均有明显的阻滞作用，并且聚酯微胶囊效果更佳。
Shin等将含有二十烷的三聚氰胺-甲醛微胶囊应用到纺织品上，结果显示微胶囊有较高的相变潜热，整理后的纺织品经过 5 次水洗后依然能保持40%的蓄热能力。
Onder等对 3 种整理到机织物上的正十六烷、正十八烷和正十九烷微胶囊分别进行了储热性能测试和稳定性测试。实验结果表明，在特定的温度区间内整理后织物的蓄热能力是普通织物的2.5 ～ 4.5倍。
Kim等对用正十八烷微胶囊整理的100%涤纶织物的控温性能进行了研究，结果显示：经过微胶囊整理后的织物在能量的储存和释放、稳定性和热敏特性等方面均表现良好。
3.2 在建筑节能领域的应用
在传统建筑材料中，复合相变材料可以制成相变蓄能建筑材料，这对于降低建筑运行能耗、节省运行费用具有重要意义。
国外有关将微胶囊相变材料应用于建筑领域的研究很多。Shilei等将微胶囊相变材料混入石膏板中，经过测试发现相变材料墙板能够减少室内空气波动，可以有效维持室内温度，降低能耗。Lee等将微胶囊相变材料混入石膏板和烯烃薄膜中，结果显示未混入微胶囊相变材料的石膏板的热导率是0.144 W/（m・K），混入相变材料后其热导率在0.128 ～ 0.163 W/（m・K）之间。随着包覆相变材料的薄膜厚度的增加，蓄热能力进一步增强。Gabeza等对添加相变材料和未添加相变材料的混凝土房间进行了 6 个月的实验，结果表明相变材料在混凝土墙上的应用具有明显的节能效果。
国内有关建筑领域用微胶囊相变材料的研究，目前较少涉及应用方面，大部分集中在适用于建筑的相变材料微胶囊的制备上。秦鹏华等人分别以高密度聚乙烯和低密度聚乙烯为支撑制备了形状稳定的相变材料，将两种相变材料分别与混凝土掺混，研究了其耐热稳定性。研究表明：以高密度聚乙烯为支撑材料的相变材料在稳定性和热性能方面均优于低密度聚乙烯，掺混了微胶囊相变材料的混凝土其单位体积的储热量也有较大提高。苏峻峰制得了一种可用于建筑材料的微胶囊相变材料，测试表明，其节能效果可达15.6%，且储能过程具有可逆性和连续性。
3.3 其他领域
除了上述领域，微胶囊相变材料还可以用于其它场合，如在军事方面，可以模拟真实目标的热红外辐射，达到示假目的；或者利用其相性能降低目标物表面温度，减少热红外辐射，起到隐身效果。利用微胶囊相变材料的相变潜热来吸收电子设备在短时间内产生的大量热量，并将热量储存于相变材料中，电子设备的温度便可在一定时间内维持在安全使用范围内。
4 结语
虽然现在对于相变材料的微胶囊化已经取得了很大进展，但仍需进一步研究。今后的研究重点仍集中于如何提高微胶囊的致密性以及相变材料的相变潜热、耐热稳定性和导热性能，通过开发复合材料以解决单一材料性能上的缺陷和不足，在此基础上，研究如何降低成本，实现工业化生产等。可以预测，微胶囊相变材料将成为相变材料领域的研究热点和重要方向。
参考文献
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相变材料范文第7篇
关键词: FTC自调温相变蓄能材料；机理及特点；应用
中图分类号：O434文献标识码： A
引言
我国能源匮乏,经济发展越发迅猛,需要更多的能源支撑, 新型建筑节能材料的广泛应用将为社会节能降耗做出重要贡献。FTC自调温相变节能建筑材料是以水镁石纤维等无机材料为原料,合理选用并添加相变材料及其他辅助材料, 经科学配比及特殊工艺复合而成,通过相变介质的相态变化,可在一定范围内调节室内温度等的新型建筑节能材料。传统工艺中的外墙保温节能材料聚苯乙烯泡沫塑料板、胶粉聚苯颗粒等, 在施工操作中直至交付使用过程中,不同程度存在性能折减、操作略繁、渗水、开裂、脱落等问题。而FTC除具备节能效果明显的优点外,在很大程度上克服了上述缺陷, 提供了建筑高效节能的新的可靠途径。
一、FTC自调温相变蓄能材料作用机理
FTC自调温相变蓄能材料（以下简称 FTC材料）是以硅质材料等作为骨架材料，经科学配比合理选用并添加相变材料及其他辅助材料，利用植物临界萃取、真空冷冻析层、蒸馏、皂化等工艺复合而成，是根据不同温度相变点调节室温的原创科技新材料，具有隔声、防火、保温、隔热等功能。它突破传统保温材料单一热阻性能，具有热融性和热阻性两大绝热性。利用相变调温机理，通过蓄能介质的相态变化实现对热能的储存，改善室内热循环质量，当环境温度低于一定值时，相变材料由液态凝结为固态，释放热量；当环境温度高于一定值时，相变材料由固态融化为液态，吸收热量，使室温相对平衡，可在一定范围内调节室内温度，FTC是一种新型建筑节能材料。
二、FTC自调温相变蓄能材料的特点分析
经实践证明FTC自调温相变节能材料 38 mm 厚材料优于50 mm 挤塑板保温性能, 达到节能 65%的要求。FTC 材料与传统施工方法比较, 其先进性和新颖性体现在如下几方面:
1、工期: FTC 材料按施工工序手工抹制, 方便快捷, 材料容重为 358 kg/ m3, 在操作工作面随拌随抹, 托灰板每次托料质量很轻, FTC 材料自身及与基层材料粘合力好, 塑料及木板抹子每次涂抹面积大。第一层压实厚度控制在 10 mm 以内, 初凝后,涂抹第二遍厚度不超过 20 mm( 顶棚为 15 mm) , 施工速度快, 单位时间完成实物量大。另一特点, 构件基层处理方便快捷、简单,仅对混凝土结构表面抹 3 mm-5 mm 厚界面剂, 而加气混凝土砌块、陶粒、空心砖及粉煤灰砖等填充墙体表面只要清除浮尘, 用水湿润即可施工, 无需其他处理。传统工艺中聚苯板施工, 要使用胶粘剂与基层墙体粘贴, 并辅以锚栓固定, 打眼、安装锚栓固定( FTC 材料仅面层为贴砖时方使用锚栓)。另外在其表面需单独做聚合物抗裂砂浆保护层, 工序较多。而胶粉聚苯颗粒料浆做法, 基层墙体界面处理要单独施工, 每次抹 3 mm-5 mm 厚, 24 h后进行下一次施工, 速度慢, 单位时间完成量小, 还要做抗裂砂浆保护层施工, 且需两次抹成。传统工艺中岩棉板外墙保温工序更多, 安装龙骨、填实岩棉板、安装面板、自攻螺钉固定, 更为繁琐,单位时间完成量较小。综上情况可见, FTC 材料施工方便快捷,可明显提高施工速度, 缩短工期。
2、质量: FTC 材料当量导热系数为 0.028 W/( m#K)。干表观密度为358 kg/m3, 抗压强度为346 kPa,抗拉强度为 0.13 MPa, 燃烧时能达到 A1级。FT C 材料经耐候性实验后, 拉伸粘结强度为 0.34 MPa, 破坏部位为保温层内部, 系统抗冲击强度达到3J级。FTC 保温节能材料性能质量符合设计及国家规范规定, 经若干工程实践, FTC 材料与基层之间及各层间粘结牢固,不脱层、不空鼓、不开裂、粘结性极好。另外材料干燥成型后, 在水中浸泡不松散、不同性、不粉化、不变形,能确保使用寿命耐久。
3、安全: FTC 材料与基底整体粘结随意性好、无空鼓, 避免负风压撕裂和脱落。材料中有机物与主墙基底存在游离酸反应形成化合物, 渗入主墙微孔隙中, 形成共同体, 确保干态粘结性, 并改善湿态粘结保值率, 具有极好的粘结性。
三、FTC自调温相变蓄能材料施工工艺流程范围及要点
1、工艺流程及范围
基底处理贴饼、冲筋分层涂抹面层作业
FTC 自调温相变蓄能建筑材料可应用于非严寒地区的工业与民用建筑、公用建筑等外墙外保温( 涂料或贴瓷砖等饰面) 、外墙内保温、室内湿度调节, 并应用在分户隔墙、吊顶、楼梯间、屋面、顶棚等需要保温、隔热的部位。
2、施工要点
2.1 施工准备：基层施工完毕，并验收合格；做平整度等处理。如果误差大于 10 mm，应该用水泥砂浆找平、留毛面，并需保证水泥砂浆找平层不空鼓开裂。如果误差超过 20 mm的，必须按国家有关建筑规范要求进行处理，达到标准；按设计厚度要求弹厚度控制线；贴饼、冲筋。
2.2基层处理：混凝土结构表面抹 3 mm-5 mm厚的界面砂浆（使用粉状界面剂或按水泥∶中砂∶界面剂 =1∶1∶0.8 的重量比配制），严禁遗漏。
2.3分层涂抹：拌料，按 FTC料∶水 =1∶2(重量)搅拌均匀成膏状，随拌随用；分层涂抹，第一层必须压实，厚度不可超过 20 mm，表面呈毛面。第一层初凝后，立即涂抹第二层，分层之间留毛面。以此类推，直到设计厚度为止。同时找平、留毛面。分层涂抹时应适度按压，以确保层与层能形成有效粘结，但不可在同一部位来回抹压。在涂抹中，若发现有鼓包产生，应及时剔除补抹。分层涂抹时，FTC材料表面不可收光，必须保证表面毛糙，同时做下一层涂抹一定要在上一层 FTC材料未干燥前进行，确保粘结。
四、FTC自调温相变蓄能材料的质量控制与效益分析
1、质量控制
1.1 FTC材料施工应满足《建筑装饰装修工程质量验收规范》（GB50210- 2001）、《建筑节能工程施工质量验收规范》（GB 50411- 2007）等标准的相关规定。
1.2 所用材料进场后，应进行检验，其品种、配比、规格、性能必须符合设计和有关标准的要求，不得雨淋、受潮，并在保质期内使用。FTC材料现场复检批次，每 500 m3为一批，需复检其干表观密度、抗压强度、当量导热系数以及线性收缩率。
1.3 保温层厚度必须符合设计要求，单点厚度检测不允许出现负误差。保温层与结构之间必须粘结牢固，无脱层、空鼓及裂缝。基层表面洁净，接茬平整，无抹纹，线角顺直、清晰。严禁在 FTC材料中掺加其他建筑材料，严禁使用机械搅拌。工程施工期间以及完工后 24 h 内，基层及环境空气温度不应低于 5℃。
2、效益分析
FTC自调温相变蓄能建筑材料可替代基底抹灰层，节省了基底处理的材料费和人工费。FTC材料可收集多余热量，适时平稳释放，梯度变化小，有效降低损耗量，室温可趋于稳定。利用相变调温机理，可使电负荷“削峰平谷”，充分利用电力资源，平衡用电过度的峰谷差，提高能量利用效率，减少能源浪费，达到建筑节能的要求，具有可观的经济效益社会效益，若大量应用还可缓解我国城市的环境污染问题。FTC材料相变潜热值大，具有较高蓄热密度，节能效果明显，经国家建材测试中心检测厚度 38 mmFTC相变材料，传热系数为 0.59 w/ （m2・k），优于 50 m厚挤塑板保温性能，达到节能 65%要求，为建筑节能提供新的可靠途径。
结束语
该材料突破传统保温材料单一热阻性能，具有热熔性和热阻性两大绝热性。通过二元相变原理，相变潜热值大，具有较高蓄热密度，蓄、放热过程近似等温的特点，节能效果明显。经国家建设部科技成果鉴定，通过材料相变，熔化吸热，凝结放热使室内温度相对平衡，达到建筑节能，推广后会有较好的社会和经济效益，该项研究成果对相变蓄能在建筑相关应用领域有技术方面的推进，具有国内先进水平。
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相变材料范文第8篇
唐伟李敬涛孙翠艳
济南市锅炉压力容器检验研究所济南250002济南市大桥路中学济南 250108
摘要：微胶囊相变材料是将微胶囊技术应用到相变材料中而形成的新型功能材料,因其独特的功能而成为近年来材料研究的热点。介绍了以三聚氰胺-甲醛为壁材,正十二醇为囊芯,采用原位聚合法制备了相变储热微胶囊。采用SEM测定微胶囊形态并讨论乳化转速和乳化时间对微胶囊性能影响。实验结果表明,当壁材/芯材用量比为1∶2时,在7500r/min的乳化转速下乳化10min,80℃时固化1h制备的微胶囊粒径分布均匀且表面光洁;微胶囊粒径随乳化转数增加而减小,随着乳化时间延长,平均粒径急剧减小,表面光洁度增加，团聚减少，但乳化时间达到10min后粒径将不再变化。
关键词: 微胶囊相变材料原位聚合法制备应用研究
ABSTRACT
Microencapsulated phase change materials (MicroPCMs) are a new kind of composite functional materials, which areprepared by microencapsulation technology. Recent advances in the preparation of MicroPCMs are reviewed. Microcapsules were prepared by the method of in-siu polymerization with melamine-formaldehyde as the outer membrane and a phase change materials as core。The surface morphology were investigated by using SEM,and we discussed the rotational speed of emulsification and the emulsified time influence on the performance of Microencapsulated phase change materials.The experiment showed that the optimized parameters for microcapsule production were discussed and presented as:m(shell)∶m(core )=1∶2,under the environment of 80℃and 7500 r/min for 1h.The particle diameter of Microencapsulated phase change materials of diminution with the rotational speed of emulsification increasing.The average of particle diameter diminished rapidly, the smoothness of surface increased, the reunion diminished with the emulsified time extending,but the particle diameter will no longer chang when the emulsified time up to ten minutes.
Key words：microencapsulated phase change materials(MicroPCMs); in-situ polymerization; preparation; application; research
中图分类号：TQ336.1+5 文献标识码：A 文章编号：
微胶囊相变材料(MCPCM)的研究是将微胶囊技术应用到相变材料中而形成的新的研究领域,增大了传热面积,防止了相变物质与周围环境的反应,控制了相转变时PCM 的体积变化,提高了相变材料的使用效率,具有广阔的应用前景。可以广泛地应用于节能建筑材料、可控温纤维、太阳能帆板、电子设备和军事领域等。
到目前为止文献报道的微胶囊化方法很多,约200多种,不同制备方法得到的微胶囊外壳性能有所差别。用于制备MPCM 的方法主要是原位聚合法和界面聚合法。在原位聚合微胶囊体系中，单体在单一相中是可溶的，而聚合物在整个体系中是不可溶的，所以，聚合反应在芯材液滴的表面发生。聚合单体首先产生相对低相对分子质量的预聚体，当预聚体尺寸逐步增大后，沉积在芯材物质的表面，由于交联及聚合反应的不断进行，最终形成固体的胶囊外壳，所生成的聚合物薄膜壳覆盖住芯材液滴的全部表面。原位聚合法合成胶囊的粒径主要取决于乳化过程中所形成的液滴大小，而液滴大小主要由液体粘度，乳化机转速和乳化时间来决定。
1.1乳液的制备
在高速搅拌的剪切作用和乳化剂TA的稳定作用下，正十二醇以微小液滴的形式均匀分散在水相中形成乳液。在该体系中，水为连续相，正十二醇为分散相，整个体系为水包油型乳状液。在乳化过程中，正十二醇被分散成微小液滴，极大地增加了水和油的界面积和界面能而使乳化体系处于不稳定状态。因此，需要加入乳化剂TA以使乳化体系处于稳定状态。TA属于阴离子型表面活性剂，吸附在油/水界面上，将正十二醇包覆其中形成液滴。一方面TA降低了正十二醇液滴的表面张力，并因本身带负电荷而使液滴相互排斥；另一方面，TA形成的界面膜可以避免液滴相撞而聚集。
1.2MF预聚体的合成
MF树脂的合成分两步来完成：羟甲基化反应与缩聚反应。羟基化反应是三聚氰胺与甲醛在PH值为8-9的碱性条件下，70℃恒温下进行的，生成水溶性的MF预聚体，其化学反应方程式如下：
1.3相变材料的微胶囊化过程
在胶囊化过程中，MF预聚体作为反应物滴加到正十二醇的乳液中，MF预聚体在整个体系中是水溶性的，在70℃酸性条件下发生聚合反应，生成不溶于水且具有一定交联度的MF树脂。缩聚反应发生在正十二醇液滴的表面，随着预聚体尺寸的逐步增大，高聚物从水相中析出并沉积在正十二醇液滴表面，形成薄膜包覆正十二醇：随着聚合反应以及交联反应的不断进行，最终形成具有一定韧性的囊壁，包覆了正十二醇液滴的全部表面，形成相变材料胶囊。整个原位聚合过程中都在均匀的搅拌速度下进行，避免胶囊粘结。
2.微胶囊相变材料的制备与性能研究
2.1不同乳化机转速下微胶囊相变材料的合成工艺
1.将3.3g乳化剂TA加入到50ml去离子水中，在60℃恒温水浴中加热1h.
2.将33.4ml正十二醇倒入上述溶液中，在高剪切乳化机下以7500r/min的速度高速乳化10min.
3.将4.9986g三聚氰胺，9.98ml甲醛，10ml去离子水依次倒入圆底烧瓶中，用三乙醇胺调节PH值8.0-9.0，在143r/min,70℃恒温水浴中反应至溶液透明，得到预聚体。
4.将预聚体倒入高速搅拌下的乳液中，5000r/min继续乳化5min.
5.滴加2.3ml乙酸于上述混合乳液中，恒温槽80℃，固化1h.
6.冷却至室温，加入两勺尿素除去游离甲醛。
7.减压抽滤，得到的滤饼用30ml25％的热乙醇洗涤一次，热水洗涤两次。8.干燥箱60℃干燥，即得微胶囊相变材料粉末。
2.2不同乳化时间下微胶囊相变材料的合成工艺
1.将3.3g乳化剂（吐温80）加入到50ml去离子水中，在60℃恒温水浴中加热1h.
2.将33.4ml正十二醇倒入上述溶液中，在高剪切乳化机下以7500r/min的速度高速乳化10min.
3.将5.0016g三聚氰胺，9.9ml甲醛，10.2ml去离子水依次倒入圆底烧瓶中，用三乙醇胺调节PH值8.0-9.0，在130r/min,70℃恒温水浴中反应至溶液透明，得到预聚体。
4.将预聚体倒入高速搅拌下的乳液中，5000r/min继续乳化5min.
5.滴加2.3ml乙酸于上述混合乳液中，恒温槽80℃，固化1h.
6.冷却至室温，加入两药匙尿素除去游离甲醛。
7.减压抽滤，得到的滤饼用30ml25％的热乙醇洗涤一次，热水洗涤两次。8.干燥箱60℃干燥，即得微胶囊相变材料粉末。
3.实验结果与讨论
3.1乳化机转速对微胶囊相变材料性能的影响
3.1.1乳化机转速对乳液性能的影响
表3.1不同转速下合成乳液的性能
转速/rpm 乳液A
（乳化过程） 乳液C
（乳化过程） 成囊性 质量/g
3500 乳化效果不好，静置分层，上层结成白色固体 聚合效果不好，乳液中有白色块状固体 成囊性很差
41.3615
4500 形成白色乳状液，较稳定，掺有少量白色块状固体 聚合效果较好，乳液中掺有少量白色块状固体 可以成囊，团聚多
24.9095
5500 形成白色乳状液较稳定，分散效果好 聚合效果较好，形成白色乳液 成囊性较好，团聚较少
19.0208
6500 形成白色乳状液，分散效果好，能长时间保持稳定状态 聚合效果较好，形成白色乳液较粘稠 成囊性好，胶囊表面较光洁，分散性好
20.2701
7500 形成稳定的白色乳液，表层有较多气泡，颗粒分散均匀，能长时间保持稳定状态 聚合效果好，白色乳液粘稠，抽滤缓慢 成囊性好，胶囊表面光洁，分散性好
21.8719
乳化机转速是影响乳液稳定性的重要因素之一。保持乳化剂浓度为1.8，其他工艺也固定不变，仅改变乳化机转速，观察乳化机转速对乳液性能的影响。
由表3-1可见，乳化机转速低于4500rpm时，乳液中有白色块状固体，呈囊性较差；当转速在5500-7500rpm时，形成的乳液稳定，成囊性较好。实验表明，合适的转速确实可以提高乳液的稳定性，并有利于合成分散性良好的微胶囊。
3.1.2乳化机转速对微胶囊表面形态的影响
(7500rpm)
( 7500rpm)(6500rpm) (4500rpm) (3500rpm)
图3-1不同乳化转速下合成微胶囊的表面形态
采用SEM观察微胶囊的表面形态，不同乳化机转速下合成微胶囊的表面形态见图2-1，转速低于4500rpm时，合成的微胶囊粒径较大，表面有褶皱；转速继续增加，合成微胶囊粒径减小，表面光洁度增加，团聚减小。尤其是7500rpm时，微胶囊粒径均匀，表面非常光洁，没有团聚现象。
3.2.乳化时间对微胶囊相变材料性能的影响
3.2.1乳化时间对乳液性能的影响
乳化剂（吐温80）在正十二醇分散过程中起到稳定乳液的作用，乳化机转速维持在7500r/min，并固定其它工艺，通过改变乳化时间来观察合成乳液的性能变化，见表3-2
表3-2 不同乳化时间下合成乳液的性能
乳化时间/min 乳液A
（乳化过程） 乳液C
（乳化过程） 成囊性 质量/g
6 分散效果差，静置分层，上层结成白色固体 聚合效果不好，乳液中有白色块状固体 成囊性很差
25.9503
8 形成白色乳状液，较稳定，掺有少量白色块状固体 聚合效果较好，乳液中掺有少量白色块状固体 可以成囊，团聚多
23.6599
10 形成稳定的白色乳液，表层有较多气泡，颗粒分散均匀，能长时间保持稳定 形成稳定的白色乳液，表层有较多气泡，颗粒分散均匀，能长时间保持稳定 成囊性好，胶囊表面光洁，分散性好
22.6438
12 形成稳定的白色乳液，表层有较多气泡，颗粒分散均匀，能长时间保持稳定 形成稳定的白色乳液，表层有较多气泡，颗粒分散均匀，能长时间保持稳定 成囊性好，胶囊表面光洁，分散性好
24.8440
从表3-2中看出,随着乳化时间延长,乳化效果越来越好,但乳化时间达到10 min后乳化效果不再变化。实验表明，乳化时间应控制在10min.
3.2.2乳化时间对微胶囊表面形态的影响
(10min) (6min)
图3-2 不同乳化时间下合成微胶囊的表面形态
由图3-2可以看出，随着乳化时间延长,平均粒径急剧减小,表面光洁度增加，团聚减少，但乳化时间达到10min后粒径将不再变化。
4.结论
采用原位聚合法制成了以正十二醇为囊心，MF树脂为囊壁的微胶囊相变材料。选择不同的乳化机转速以及乳化时间，可以合成一系列微胶囊相变材料，通过SEM对微胶囊的性能研究分析，得出如下结论：
1.当乳化机转速为7500rpm，乳化时间为10min时，合成平均粒径均匀，成囊性好，胶囊表面光洁，分散性好的微胶囊。随着转速的增加，微胶囊的平均粒径呈指数关系减小。
2.乳化机转速对囊芯含量基本没有影响，在囊壁/囊芯比例固定为1：2条件下，囊壁厚度与微胶囊粒径呈线性关系，且随转速增加而减小。
3、原位聚合法是制备相变蓄能微胶囊较好的方法之一，实验操作简便，包封效果好，能较好的发挥蓄热作用。乳化时间、搅拌速度对微胶囊粒径大小及粒径分布范围有较大影响。乳化时间越长，搅拌速度越大微胶囊平均粒径越小，粒径分布范围越窄。
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相变材料范文第9篇
关键词：相变材料;节能;建筑
中图分类号： TE08文献标识码：A 文章编号：
国家在“十一五”规划中明确提出了要发展资源节约性社会，所以建筑节能产品的开发与应用已成为当前建筑材料领域的热点问题之一。传统的建筑节能材料主要采用对内外墙保温隔热从而降低能量的消耗，这远远不能满足当前节能的要求。一方面，目前用的节能建材虽然有很好的保温效果，但无法满足人们对环境温度舒适度的要
一、相变材料的概念
相变材料(phaseChangeMaterials,简称PCM)是近年来材料科学和节能技术中一个研究方向。在材料的相变期间,吸收环境的热(冷)量,并在需要时向环境释放出热(冷)量,从而可以控制材料周围环境的温度.相变材料的这种能量贮存和再利用的性质,有助于研发对环境具有应变性能的建筑复合材料。通过将相变材料与建筑材料基体复合,可以制成相变储能建筑材料,能够将能量以相变潜热的形式进行贮存,实现能量在不同时空位置之间的转换。虽然在相变过程中温度变化比较小,但是吸收和释放的相变潜热却相当大,少量的材料可以存储大量的热(冷)量.与混凝土、砖等储热建材相比,可以大大降低能量储存对建筑物结构的要求,从而减少建筑材料的占用面积,可在建筑物中采用更加灵活的墙体结构形式。
二、相变材料应用于建筑的条件
相变材料(phase changematerial简称PCM)是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。它具有独特的潜热性能,即在相变化过程中,可以从环境吸收热(冷)量或向环境放出热(冷)量,从而达到热量存储和释放的目的。相变材料与传统建材(如水泥、石膏)复合成具有储热和温度控制功能的建筑围护结构材料,可以减少室内温度波动,提高舒适度,增大室内空间,减轻建筑物自重,节省制冷和采暖费用。目前,已发现的相变材料已有几万种,但并不是每一种PCM都可以应用在建筑中。PCM在建筑中的应用需要具有以下条件:具有良好的热传导系数,单位质量的相变潜热大,体积膨胀率小,密度大;相变过程可逆性好,相变过程的方向仅以温度决定,不存在过冷和降解现象;无毒、无腐蚀、无泄漏、防火、不污染环境;相变材料经济且原料来源容易;相变过程可靠性好,不会产生降解和变化,使用寿命长,一般要求达到50年以上;相变温度合适,适合于该地域的气候特征和接近人体的舒适温度;与建筑材料相容,不影响建筑材料的机械性能和强度;蒸汽压力低。实际上能同时满足以上各种条件的理想的相变材料几乎是没有的。只能在实际应用中采取适当的措施克服各种相变材料的缺点,使之适合人类生活环境。
三、相变材料应用于建筑中的主要类型
相变材料按照其相变前后的物态,可以将其分成:固-液类相变材料、固-固类相变材料、固-气类相变材料及液-气类相变材料等几种。固-气类相变材料及液-气类相变材料在相变过程中有大量气体存在,材料体积变化较大,在建筑节能领域难以应用。因此,固-液类和固-固类相变材料是在建筑节能中主要研究和应用的两类相变材料。
1、 固-液相变材料
这一类相变材料包括无机材料和有机材料两大类。无机固-液相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等;有机固-液相变材料包括某些高级脂肪烃类、脂肪酸类或其他酯类、盐类化合物以及某些醇类、芳香烃类化合物。为了得到相变温度适当的相变材料,常常将几种有机(无机)相变材料复合形成二元或多元相变材料,有时也将有机与无机相变材料混合,以弥补二者的不足。但是混合相变材料在调节相变温度的同时,也会导致相变潜热下降,在长期的相变过程中,还容易变性。
2、 固-固相变材料
固-固相变材料在发生相变前后固体的晶格结构改变而放热吸热。因此,这种相变材料在相变过程中无液相产生,相变前后体积变化小,无毒、无腐蚀,对容器的材料和制作技术要求不高,其相变潜热与固-液相变材料处于同一数量级,且过冷度小,使用寿命长,是一类有应用前景的蓄热材料。目前,关于固-固相变材料的研究和应用工作还刚刚开始,他们的分子结晶态及能量的转变过程机理还有待进一步探明,其热性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高。但是,由于其相变过程独有的优点,可以预见,固-固相变材料在建筑节能领域将是很有应用前途的一类相变材料。
四、相变材料的应用技术
随着相变材料在建筑节能领域的应用研究，其应用技术和产品性能逐步提高，产品品种也越来越多。目前已经确定了一定数量的能够应用于建筑材料的相变材料，但如何应用成为目前人们最为关注的问题。通常能够用于建筑节能的低温相变材料中固-固相变的材料很少，大多为固-液相变材料。对于低温固-液相变材料，其工作状态都是固液态的不断转化，如何将相变材料应用于在建筑材料既有节能效果又不影响墙体质量成为最关键的技术。虽然国内对相变材料在建筑节能的研究起步较晚，但对产品应用研究和推广进展很快。目前已经形成了相变砂浆、相变水泥、相变腻子、相变混凝土、相变石膏板、甚至相变涂料等一系列保温节能产品，其保温节能性能不但优于传统材料，而且其他力学性能、抗裂等性能也优于传统材料。根据在建筑中不同的使用方法和不同产品，相变材料可以选择不同的定性技术，比如将相变材料封装后用于建筑物构件的夹层；将相变材料与建筑材料掺和制成砖瓦、墙板、地板、天花板等建筑材料；将相变材料制成微米或纳米级胶囊填入混凝土或用于涂层等等。
1 . 相变材料吸附封装技术
将有机相变材料与无机三维网络结构材料，通过特殊混合工艺将相变材料嵌入到无机材料空间中，这类材料一般具有较高的相变潜热和稳定性，而且价格较低使用方便。这种网状或层状的无机纳米材料吸附相变材料形成的微小颗粒不但可以复合入石膏板、墙板、内外墙涂料、地板、沙浆、水泥等建筑材料，而且可作为填料与高分子材料混和，成为具有可热塑形加工的材料，随意加工成各种板材或异型材。同济大学的张东等人目前主要研究以多孔或网状无机材料作为相变材料的存储基质，使得相变材料易于工业化生产应用，而且价格低廉。另外，无机石墨粉体具有丰富的微孔结构，将有机物相变材料与石墨在高于其相变温度条件下进行共混吸附，有机物相变材料被吸附到膨胀石墨的微孔结构中，能有效地解决有机物相变材料
2 . 相变材料微胶囊封装技术
微胶囊技术是一种先进的微包覆技术，传统的做法是将被包封物质分散在液体中，在微小分散体的表面包覆一层聚合物薄膜。人们已将此技术利用于很多领域，如：化妆品、药剂、香料、油墨等生活常用品中。由于相变材料的性能很不稳定，微胶囊技术可以很好地解决相变材料的稳定性，因此微胶囊技术成为相变材料应用研究的重点。相变材料被包覆成为胶囊后使用非常方便，而且能够广泛应用于墙体、涂料、石膏板、房屋内装饰材料等。
该技术主要是将相变材料制成一种球形小颗粒，然后再表面封装一层性能稳定的外壳，即得到相变材料微胶囊，胶囊的直径一般在1～1000μm之间，高分子是最为常见的外壳材料。该项技术工艺相对简单成熟，易于大规模生产。目前存在的主要问题是，对于体积变化较大的相变材料（体积变化>15%），反复的相变影响材料的使用寿命，因此要求包封层具有足够的厚度和强度，且不影响相变材料的热导性能。我国的清华大学、天津工业大学、河北工业大学等机构对相变材料微胶囊技术的基础研究较多。微胶囊的应用技术主要是将相变材料如石蜡、脂肪酸等乳化后形成微胶囊材料，用于墙体材料的砂浆、腻子、水泥、石膏板、涂料等。为了防止相变材料的泄漏和破裂，成都新柯力化工科技有限公司针对具体的产品应用，进行了微胶囊的改进，形成了可直接应用于建筑节能材料的相变材料，该材料使用方便性能良好，而且可用于节能涂料。
结语
建筑保温隔热材料是建筑节能的物质基础.根据相变材料的相变储能原理,在隔热材料中掺人相变材料来制备高效节能建筑隔热材料,是建筑节能领域中的研究热点之一。相信随着新型相变材料的不断研究和开发,新的测试技术的逐步完善,相变储能建筑材料必将在今后的建材领域大有用武之地,随着人们对建筑节能的重视其应用前景也会越来越广阔。
【参考文献】
[1] 张静,丁益民,陈念贻.相变储能材料的研究及应用[J].盐湖研究, 2005(9): 53-59.
相变材料范文第10篇
1建筑节能用相变材料的选择与分类
被应用于建筑节能的理想相变材料必须具有以下性能：相变温度合适、相变潜热大、化学性能稳定、无毒害、成本低、热物性良好等。但实际上，没有一种相变材料可以包含以上所有性能。因此，选择相变材料时，优先考虑的是合适的相变温度和较大的相变焓，之后再考虑其他因素的影响。目前，在建筑节能领域应用较多的相变材料主要包括无机相变材料、有机相变材料和复合型相变材料［5］。有机类相变材料主要包括石蜡、脂肪酸、醇类等，其优点是应用温度范围较广、无过冷和相分离现象、可循环利用，缺点是导热系数低，易燃。无机类相变材料主要包括无机水合盐、无机金属等，其优点是单位体积潜热储存量大、成本低而易得、导热性能优良、不易燃，缺点是相变时体积变化较大、有过冷及相分离现象［6］。复合类相变材料主要包括有机－有机、有机－无机和无机－无机类相变材料，通过复合的方式，可以克服单一类型相变材料的缺点，因此这一方式已成为目前研究的热点。表1列出了在建筑领域应用的常见的一些相变材料。
2相变材料与建筑材料的复合方式
2．1直接加入法
直接加入法是指将相变材料与水泥、石膏、砂浆、混凝土等传统建筑材料直接混合，这种方法简便易行，经济成本较低。但是采用这种方法必须注意以下几点：（1）相变材料不能参与水泥的水化反应且不能与水化产物反应；（2）相变材料不能影响粘结剂和骨料之间的结合作用；（3）相变材料不能严重影响建筑材料的力学性能和耐久性。然而，大多数情况下直接加入法往往会导致相变材料发生泄漏，从而会与水化产物反应或者影响整个系统的力学性能和耐久度。Feld－man等［10］通过直接加入法在石膏板中掺入21％～22％的硬脂酸丁酯制成相变墙体，该墙体物理性能与普通石膏板相差不大，蓄热能力提高了近9倍。
2．2浸渗法
浸渗法是指将混凝土、砖块、墙板等建筑材料浸泡在液相相变材料中，通过毛细管作用吸收相变材料。李乔明［11］使用浸渗法制备了含相变石蜡的复合建筑石膏材料，发现经过100次热循环后，相变温度升高了4．3％，相变潜热下降了11％，耐久性较差。因此，此种方法制备的石膏板在实际使用中有较大的局限性。
2．3封装法
传统的复合方式会导致相变储能材料在与建筑材料的复合过程中出现严重的泄露情况，且较低的耐久性制约了相变储能材料在建筑节能领域的应用。为了解决这一问题，科研工作者们在将相变材料加入到建筑材料中之前，先进行了一次封装，从而可以有效地防止相变材料泄露，并且可以提高其力学性能和热物性。常见的封装方式包括吸附封装和微胶囊封装等。
2．3．1吸附封装
吸附封装是以吸附和浸渍的方式将相变材料吸附到膨胀珍珠岩、膨胀石墨、膨润土等多孔材料中，制备成颗粒型相变材料。多孔基体材料来源广泛，价格便宜，制得的颗粒型相变材料有效地解决了相变材料与建筑材料的相容性问题，同时某些多孔材料还可以提高整个系统的传热性能。Sari等［12，13］以膨胀珍珠岩为支撑材料，分别以癸酸和月桂酸为相变材料，制备了颗粒储能相变材料，两种脂肪酸与珍珠岩有着很好的相容性，并且珍珠岩能够吸附大量的相变材料，经过1000次以上的热循环后，两种相变材料仍然保持了良好的化学稳定性和热稳定性。在后续的研究中［14－16］，又以脂肪酸的二元复合物以及脂肪酸酯作为相变材料，与水泥、石膏、蛭石、硅藻土、珍珠岩等多孔材料复合，制备了一系列的多孔基体相变复合材料。结果表明，通过二元复合法可以得到相变温度适宜的相变材料，而脂肪酸酯类的相变材料则具有较高的相变焓，且绝大多数的相变材料都具有良好的热稳定性和化学稳定性。魏艳玲等［17］以膨胀珍珠岩为支撑材料，癸酸－硬脂酸二元复合物为相变材料，利用真空吸附法制备了颗粒型储能相变材料，并将其添加到石膏基体中，制备了相变储能石膏板。结果表明，通过真空吸附法二元复合相变材料的吸附质量分数达到了75％，且经过500次热循环后仍然保持了良好的热稳定性，加入2％的铜粉后，石膏板的导热性能有了很大的提高。
2．3．2微胶囊封装
在微胶囊封装过程中，在粒径为1～1000μm的颗粒相变材料表面包覆一层较薄的天然或者人工合成的高分子膜，这种封装方式可以制备出相变温度为－10～80℃的相变材料。微胶囊封装可以有效地防止相变材料的泄漏，增大相变材料的表面积从而提高传热速率。尚红波［18］分别以原位聚合法和界面聚合法合成了十二醇／脲醛微胶囊、硬脂酸丁酯／聚脲微胶囊和硬脂酸丁酯／聚氨酯微胶囊相变材料，研究发现当采取脲醛树脂与蜜胺树脂复配的方式时，十二醇／脲醛微胶囊相变材料的产率从50％提高到90％以上；当芯材壁材质量之比为3∶1时，硬脂酸丁酯／聚脲微胶囊经过400次热循环后、硬脂酸丁酯／聚氨酯微胶囊经过1000次热循环后都具有较好的热稳定性。蒋晓曙等［19］研究了影响石蜡－密胺树脂微胶囊的储热性能、包裹效率和表观形态的2个主要因素：三聚氰胺－甲醛的物质的量比和密胺树脂的固含量。结果表明，当密胺树脂固含量控制在10％～15％之间时，对胶囊合成的影响较小，当三聚氰胺－甲醛的物质的量比为1∶3时，微胶囊颗粒表面光滑，无团聚现象，对石蜡的包裹率可以达到71％。Zhang等［20］分别以甲苯二异氰酸酯、二乙烯三胺、聚醚胺为油溶性单体，正十八烷为芯材，苯乙烯－顺丁烯二酸酐共聚物为乳化剂，乙二胺为水溶性单体，氯化钠为成核剂，使用界面聚合法制备了正十八烷／聚脲相变微胶囊材料。其中，以聚醚胺为单体制备的微胶囊比其他两者具有更光滑的表面形态，更窄的粒径分布，更高的封装效率和反渗透能力，但热稳定性相对较差。微胶囊封装虽然解决了相变储能材料耐久性的问题，但由于其高昂的封装成本，很难实现规模化生产。为了降低微胶囊式相变储能建筑材料的成本，研究者们主要从微胶囊与墙体的复合方式及微胶囊的封装材料两方面着手。Biswas等［21］制备了一种新型的微胶囊相变储能材料，将石蜡封装在高密度聚乙烯小球中，之后将其与纤维板混合，并放置在测试建筑的外墙部分。经实体测试和数值模拟发现，与将相变材料掺入整个外墙墙体相比，将相变材料掺入外墙的内侧部分可以使得墙体具有更优越的热舒适性。这种复合方式大大降低了微胶囊相变储能材料的应用成本。Wang等［22］制备了一系列以碳酸钙封装的正十八烷微胶囊相变储能材料，该相变材料有良好的热稳定性、导热性和耐久性。由于封装材料是易得、低成本的碳酸钙，使得该相变储能材料在工业化生产中有着良好的前景。
3相变材料在建筑节能领域的应用
3．1被动式相变储能
被动式相变储能指的是相变过程中完全依靠大自然的冷热源来储存能量而不借助人工冷热源［23］，此类储能方式适用于昼夜温差较大的地区。Kuznik等［24］对一间翻新的办公室进行了为期1年的温度实时监测，其中一个房间的天花板和侧墙含有60％的相变石蜡微胶囊，另一个不含有相变材料其他完全相同的房间作为对比房间。研究表明，当墙体温度和空气温度在相变温度区间内变化时，相变材料可以充分发挥作用，从而调节整个房间的热舒适性。Neeper等［25］研究了相变储能石膏板的热性能，并研究了相变材料的相变温度、熔化温度的变化区间和单位面积的潜热储存量的影响。研究表明，在实际使用中日间能量存储量的范围在300～400kJ／m2之间；当相变材料的相变温度接近墙板的平均温度时，日间能量存储量可以达到最大。Entrop等［26］研究了地中海气候条件下，含有相变微胶囊的混凝土板材在夜间对整个房间的调温效果。研究者们制作了4个模拟盒子用于测试，其中有2个盒子含有5％的相变微胶囊。研究表明，含有相变微胶囊的混凝土板材的最高表面温度降低了16％，最低温度升高了7％，说明在此气候条件下，相变材料可以在不借助人工冷热源的前提下有效地储存热量。为了提高建筑物内部的热舒适性，Miguel等［27］在抹面砂浆中加入了25％的相变石蜡微胶囊，并建造了模型盒子进行热循环对比实验。研究表明，以相变储能砂浆制造的模型在春季和夏季的最高室温分别要比普通盒子低2．6℃和2℃，通过数值模拟得到的温度曲线也与实际检测的温度曲线非常接近，对相变材料的一些参数进行分析后发现，在砂浆中增加相变材料的掺量并不能明显降低室内最高温度，而针对不同的环境条件，需要使用不同相变温度区间的相变材料，从而达到最佳效果。Sayyar等［28］以癸酸和月桂酸的二元复合物为相变材料，石墨为多孔基体，制备了定形相变材料，并制成了含有夹层结构的相变石膏板，之后分别建造了含有相变石膏板和普通纸面石膏板的测试模型，对模型内的温度进行实时监控，发现含有相变石膏板的模型室内温差要比对比参照模型低11℃。经过数值模拟发现，相变材料的加入使得将温度维持在人体舒适度范围内所需要的能量节约了近79％。Pasupathy等［29］制备了一种含有无机水合盐相变材料的建筑屋顶，经数值模拟和实验验证后，发现该建筑屋顶在冬季时能将温度维持在相变温度范围内，但是到了夏季，由于屋顶温度始终维持在相变温度以上，相变材料始终处于液相，因此无法发挥蓄热作用。对此，研究者通过数值方法从理论上研究了一种含有双层相变材料的屋顶的调温作用，上层相变材料的相变温度为32℃，下层相变材料的温度为27℃。经理论分析，上层相变材料的相变温度需比夏季清晨的环境温度高6～7℃，从而可以使相变材料在热循环开始前处于凝固态。由于上层相变材料的存在，使得下层相变材料可以充分发挥调温作用，将天花板的温度控制在自身相变温度变化范围内。
3．2主动式相变储能
在某些昼夜温差较小的地区，如夏热冬冷地区，仅仅依靠大自然的冷热源，相变材料很难充分发挥其作用，为了解决这一问题，研究者们引入了人工冷热源来辅助相变材料的加热或制冷。常见的主动式相变储能装置主要包括相变蓄冷吊顶辐射供冷系统、相变储能热水采暖系统等。Koschenz等［30］制备了含有石蜡微胶囊的相变石膏天花板，并引入了毛细管冷却系统用于冷却相变材料，确保相变材料在每次热循环之前都处于完全凝固状态，使其能够充分发挥蓄热能力。通过数值模拟确定了相变天花板所需要的热性能，经过实验测试后，发现在相变材料完全融化为液相之前，天花板的温度被控制在24℃以下，室内温度被控制在28℃以下。关于这种相变天花板的防火性能还需进一步验证。冯国会等［31］研制了一种新型的相变太阳能热水采暖地板，该地板包含毛细管热水加热装置和大体积封装的相变储能材料。对该地板的热性能进行数值分析和实验验证后，发现在热水加热装置关闭的16h内，相变地板为面积为11．02m2的房间提供了37677．6kJ的热量。进一步研究表明，改变供暖水温和装饰层材料的导热系数有助于调节地板表面温度。Ansuini等［32］在轻质辐射地板中加入了颗粒相变储能材料，并在辐射地板内部插入定制的钢片，提高其导热性能。经过有限元数值分析后，发现对于一个16m2的房间，在夏季相变材料的引入可以使蓄冷辐射的用水量降低25％，但是在冬季，相变材料对于整个系统的采暖辐射没有影响。Dubovsky等［33］以冬季亚热带地区的一间中间楼层的房间为研究对象，该房间配有8扇1．5m×1．5m的窗户，同时在地板下铺设了一层20mm厚的相变石蜡层作为热源，利用便宜的谷电来加热，另一间除了没有窗户，其他配置相同。经实验比较，没有窗户的房间需要16kW的电量，要比有窗户的房间节约20％的电量。在加入了翅片后，相变材料融化和凝固的速率都得到了提高。而相变材料给予了整个房间较高的热惰性，使得即使在电加热功率不足的情况下，室内温度降低依然缓慢。牛润萍等［34］建造了两间主动式太阳房，以太阳能热水为热源，其中一间采用相变蓄热地板供暖，另一间采用干式地板供暖。经比较，使用相变蓄热供暖的房间室内最低温度比干式地板供暖的房间高2～3℃，室内温差减小3．5℃，相变材料与节能建筑围护结构结合使用，最大程度地利用了太阳能光热。闫全英等［35］研究了相变材料对热水采暖墙体热性能的影响，实时监测了墙体表面温度和热流变化，同时利用有限元分析分别对普通墙板和相变墙板的传热过程进行了数值模拟。结果表明，虽然在供暖过程中，相变墙板的表面温度比普通墙板低，但是当停止供暖后，相变墙板的表面温度和热流下降缓慢，仍然能持续向室内供热，室温波动较小。李建立等［36］以微胶囊石蜡作为相变材料，以木粉和高密度聚乙烯复合物为基质，制备了一种新型的定形相变材料，该相变材料有良好的导热性和力学性能，但是有明显的过冷度。之后，研究者们通过数值方法分析了该相变材料作为地板电采暖系统中储热层的可行性。经分析，该相变材料能够有效地调节室内温度和降低用电成本，并且相变材料的作用很大程度上取决于电采暖系统的工作模式和相变材料自身的厚度。Mazo等［37］自建了数学模型用于模拟相变材料在辐射地板中的传热过程，首先通过EnergyPlus建筑能耗模拟软件验证了所建立的建筑模型的精确度，之后建立了一维模型用于模拟辐射地板的传热过程，在此基础上引入了相变温度为27℃的颗粒定形相变材料作为案例分析。经数值模拟后发现，辐射地板引入相变材料后几乎可以完全把电能消耗从高峰期转移到非高峰期，与传统的辐射地板相比，节约了接近18％的能源消耗成本。虽然主被动式相变储能的原理比较简单，但是目前国内对于整个建筑体系储能效果的评价仍不完善，影响了相变储能材料的规模化应用。周全等［38］提出了相对时间滞后率、节能效率和峰温差3种评价指标，并自主研制了评价装置。通过相变储能石膏板和绝热材料参比板的对照试验，验证了节能评价装置的可行性。其中节能效率和相对时间滞后率能够直接和间接地评价相变材料的主被动节能性，而峰温差的引入可以进一步评价被动式相变储能建筑的节能性。
4结语
目前国内外学者已经开发了大量不同类型的相变储能材料，并将其用于被动式或者主动式的建筑节能中。对于被动式相变储能，需要根据当地的气候条件及建筑围护结构的组成、朝向等选择具有合适相变温度的相变材料；对于主动式相变储能，其评价标准应当是相变材料的引入能否在原有的基础上带来能耗的降低。大量的实验探究和数值分析已经证明了相变材料在建筑结构中所起的积极作用，但是由于影响相变材料在建筑结构中表现的因素是多元化的，对此仍然需要进行长期的监测和进一步的研究。