硅藻土基定形相变材料的制备及应用进展

硅藻土是硅藻植物经过漫长的沉积成岩而形成的一种非金属矿物。硅藻土具有丰富微孔、耐高温、耐腐蚀性、价格低廉和资源丰富等优点,作为一种良好的吸附载体材料而受到广泛关注。介绍了硅藻土的结构特点并归纳了硅藻土常见的几种改性方法,综述了硅藻土基定形相变材料的种类及制备方法,总结了该材料在建筑领域的应用进展,分析了现阶段硅藻土基定形相变材料研究中存在的问题,并提出未来工作中需要关注的重点,以期为其规模化推广应用提供参考。

添加膨胀石墨的二十二烷-十二醇复合定形相变材料的性能研究

针对于太阳能PV/T系统相变材料热导率低、易泄漏的问题,本工作制备了二十二烷-十二醇/膨胀石墨复合定形相变材料并对其性能进行实验研究。本工作首先按照6∶4的比例制备了二十二烷-十二醇相变材料,然后采用熔融共混法制备了一系列膨胀石墨含量不同的复合定形相变材料。实验借助场发射扫描电子显微镜观察其微观结构,利用热流型差示扫描量热仪、热导率测量仪等仪器测量其潜热、热导率等参数,研究了材料的物理相容性、吸附性、循环稳定性,探究了膨胀石墨和二十二烷-十二醇的最佳配比及其各项性能。结果表明,当膨胀石墨质量分数为15%时,复合定形相变材料性能最佳,此时膨胀石墨足以将相变材料吸附,渗漏率仅为3.85%且无明显渗出,其熔化和凝固相变潜热分别为203.8 kJ/kg和-196.6 kJ/kg;在经过50次冷热循环后,其相变温度及潜热变化较小,热导率基本保持稳定,波动幅度仅为5.9%,质量损失较少,仅为0.0495 g,表现出良好的循环稳定性。研究为后续定形相变材料在太阳能PV/T系统中的应用提供理论数据支撑。

十八烷/膨胀石墨定形相变材料的制备与性能

针对建筑节能储能材料的应用,采用真空吸附法制备了一系列十八烷含量不同的十八烷/膨胀石墨定形相变材料,通过微观形貌观察、渗漏性能测试、差式扫描量热分析和冷热循环稳定性分析探究膨胀石墨吸附十八烷的最佳含量以及其各项性能。通过分析得出,当十八烷的吸附量为90%(质量分数)时,该吸附含量下的十八烷/膨胀石墨定形相变材料综合性能最佳,其熔融焓和凝固焓值分别为188、186.9 J/g,与国内外不同复合相变材料相比,具有较高的焓值。通过50℃烘箱加热2 h后,也没有明显的十八烷渗出的现象,质量损失率均小于1%,说明其具备了较好的防渗漏性能和结构稳定性。

石蜡/改性粉煤灰定形相变材料的制备及热性能研究

以石蜡(PA)为相变芯材,以经酸浸法处理的改性粉煤灰(mFA)为封装基体,采用真空浸渍工艺制备PA/mFA定形相变材料。通过熔融泄漏测试、FT-IR、DSC、蓄放热性能试验研究了PA/mFA定形相变材料的化学相容性、相变热物性等。结果表明,m(PA):m(mFA)=1∶4时,PA/mFA定形相变材料基本无泄漏,PA与mFA为物理掺混;PA/mFA定形相变材料的相变温度为22.6℃,符合人体舒适温度,相变潜热较高,为41.3 J/g;PA/mFA定形相变材料熔化和凝固过程中温度变化均滞后于环境温度变化。

石蜡/ZIF-8@ZIF-67 定形相变材料的储热性能

针对固-液相变材料在相变过程中由于体积变化产生的芯材泄漏现象,该研究以ZIF-8@ZIF-67核壳结构为载体,以石蜡(paraffin)为相变芯材,采用溶剂蒸发法制备了质量分数为50%、60%、70%和75%的石蜡/ZIF-8@ZIF-67定形相变材料。通过扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、傅里叶红外光谱、BET比表面积、热重分析、差式扫描量热和瞬态平板热源等测试手段对定形相变材料的形貌、结构、热稳定性、相变潜热、热导率进行表征;采用Fluent软件对填充相变材料的相变蓄热供暖系统进行了数值模拟分析。结果表明:ZIF-8@ZIF-67形貌为大小均匀的菱形十二面体,石蜡的最高负载量为70%,且石蜡与ZIF-8@ZIF-67 MOF载体之间没有发生化学变化。质量分数为70%的石蜡/ZIF-8@ZIF-67经50次热循环后,熔化焓为54.36 J/g,与循环前相比无明显下降(循环前熔化焓为59.59 J/g),说明其具有良好的热循环稳定性。研究表明质量分数为70%的石蜡/ZIF-8@ZIF-67相变材料可以很好的保持整体系统的温度稳定性,具有良好的蓄-放热效果。

定形相变材料回填下的地埋管换热器实验

为研究定形相变材料(SSPCM)作为地埋管回填材料的传热特性,以30 W圆柱形发热棒作为线热源模拟地埋管换热器,用膨胀石墨吸附石蜡制成SSPCM,并将其和普通回填沙以3:7的质量比混合制备成混合回填材料,分析在夏季间歇运行工况下,SSPCM混合回填下的传热特性。结果表明,在短期实验运行模式下,相对普通沙回填,SSPCM混合回填材料形成的温度场优势明显,温度波动较小,管壁附近过余温度差异可达到10℃;距离发热中心距离越近,减缓温度场变化的效果越明显;在2种回填条件下,恢复后稳定温度以及恢复所需时间无显著差异;在多周期间歇运行工况时,回填区域内温度明显低于连续运行状况;若运行时间导致的温升超过相变材料潜热利用阶段,SSPCM无法发挥出相变储能的优势。该实验现象对SSPCM实际应用有一定参考价值。

冻融循环作用下定形相变材料对土热学和力学性能影响

定形相变材料具有在周围温度变化时通过自身相转变吸收或释放热量的能力,同时使用过程中能够保持较好的强度和稳定性,该种材料掺入寒区路基土体中可以调节路基温度场。研究了冻融循环作用下一种商用定形相变材料对土热学和力学性能的影响,通过对冻融循环作用下的不同掺量定形相变材料的土体进行导热系数试验、温度监测试验和无侧限抗压强度试验,并对定形相变材料进行分析。结果表明:定形相变材料的相变焓值大于200J/g,定形相变材料的掺入使土体的导热系数增大,解冻时长增加,减小了冻融循环作用对土体强度的破坏,15次冻融循环作用下6%掺量的土体强度衰减最小,土体的热学和力学性能的变化与定形相变材料的掺量密切相关。

交联定形相变储能材料的研制

分别采用高密度聚乙烯(HDPE)、高密度聚乙烯和低密度聚乙烯(LDPE)1∶1的共混物作为基体材料,制备了不同凝胶率的交联定形相变材料,讨论了材料的凝胶率与交联剂用量之间的关系,并测定了材料的热性能。通过多次冷热循环实验,研究了材料的稳定性。结果表明,交联有利于改善定形相变材料的稳定性,减少石蜡的渗出。高密度聚乙烯与低密度聚乙烯的共混体系更适合作封装材料。交联程度的不同对材料的相变温度和相变热均不产生影响。多孔填料如硅藻土的添加,可以进一步减少石蜡的渗出,提高材料的稳定性。

定形相变贮能式地板辐射采暖系统数值模型的实验验证及参数分析

根据在北京进行的定形相变贮能式地板辐射采暖系统的实验情况,作者对已建计算模型进行了修改,修改后的模型的计算结果与实验结果符合较好。在此基础上利用该模型研究了定形相变材料的熔点、相变潜热、相变半径及电加热功率等关键参数对相变贮能式地板辐射采暖系统热性能的影响。

石蜡/膨胀石墨定形相变材料的性能

以石蜡为相变材料,利用膨胀石墨多孔网络结构,通过物理吸附法制备出石蜡/膨胀石墨复合相变材料,并通过模压法制成定形相变材料板块。采用差示扫描量热分析仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、偏光显微镜(POM)和Hot Disk热常数分析仪等对复合相变材料进行了结构和性能的表征与测量,建立了冷/热循环实验系统以分析材料的蓄/放热性能等。结果表明:石蜡质量分数为80%的定形相变材料相变温度为27.27℃,相变焓为156.6kJ·kg-1。制备的定形相变材料具有相变过程形状稳定、热导率高、储热密度大等特点,并具有良好的稳定性和较长的使用寿命。

结合太阳能空气集热器的定形相变蓄能地板采暖系统实验研究

提出了一种与太阳能空气集热器结合的定形相变蓄能地板采暖系统充分利用太阳能。白天,由太阳能空气集热器加热后的热空气通过保温管道输送到相变地板夹层,相变材料(PCM)蓄热;夜间,房间的冷空气进入相变地板夹层,被加热后送入房间,相变材料放热。可行性实验研究表明,此采暖系统安全可靠,能显著提高室内温度,房间各处受热均匀,热舒适性较好,有一定的应用前景。

利用焓法和有效热容法对定形相变材料熔解过程分析的比较研究

由于定形相变类贮能材料在使用中不需要容器,可与传热介质直接接触,或可与建筑材料直接结合,因此正成为研究的热点。这类相变材料基本上采用有机类相变材料为基材,其相变多发生在一个较宽的温度范围内,而不具有一个确定的熔点。针对这一特点,作者分别采用有效热容法和焓法对一种以石蜡为基材的定形相变材料的熔解过程进行了分析,发现只要在焓法中相变半径根据DSC实测的结果取值,两种算法的结果一致。

定形相变贮能式地板辐射采暖系统的实验研究

作者在北京采暖季节对相变贮能式地板辐射采暖系统进行了实验研究。该系统采用厚度为2cm,熔点和潜热分别为21 6℃和37J/g的定形相变材料。作为比较,也对普通地板采暖系统进行了对比实验研究,发现:相变贮能式地板辐射采暖系统在实验期间基本上每天开启8～10h,在维持室内温度高于对比试验的情形下,运行费用低于对比试验中的普通地板采暖系统。此外,由于相变材料具有较好的贮热能力,电加热系统的启停造成的室内温度波动较小,变化平缓;试验房间内各壁面温度较高,且波动很小,从而提高了室内的平均辐射温度,这也是地板辐射采暖舒适和节能的原因之一。

掺杂对定形相变材料导热系数的影响

通过在定形相变材料中加添加剂改进定形相变材料的导热系数,用热针法对改性后的试样进行了测量,对添加剂种类和含量对定形相变材料导热系数的影响进行了定量分析。实验结果表明,石墨添加剂可以显著提高定形相变材料的导热系数。通过对实验数据的拟合,得到了石墨添加质量分数与材料有效导热系数间的拟合公式。

定形相变材料蓄热地板电采暖热性能实验研究

为减小污染和电网峰谷差,提出了一种利用定形相变材料(PCM)蓄存夜间廉价电热的地板电采暖系统,研究了此定形PCM的热性能,搭建了应用此采暖系统的实验房间,测量了系统和室内空气的温度变化,分析了此采暖方式的使用效果.结果表明,此系统的热性能较好,白天的电热负荷转移到了夜间低谷电价时段,在实行峰谷电价的地区,可以节省电费,同时使室内温度分布均匀,是一种节能舒适的采暖方式.

聚乙二醇/SiO_2定形相变材料在沥青中的相变储热性能

利用多孔二氧化硅的良好吸附性,将不同计量的聚乙二醇在硅溶胶胶凝过程中吸附于硅凝胶的孔隙结构中制备聚乙二醇/二氧化硅定形相变材料(PEG/Si O_2 SSPCM);并将其与熔融沥青共混获得不同聚乙二醇含量的沥青-定形相变材料(Asphalt-SSPCM)。借助孔径分析仪和扫描电镜(SEM)表征了载体二氧化硅孔结构和PEG/Si O_2 SSPCM的表观形貌;通过X射线衍射仪(XRD)、综合热分析仪(DSC/TG)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)考察了沥青中PEG/Si O_2 SSPCM的晶体结构、储热性能、热稳定性及化学兼容性;通过本文作者课题组研发的温度模拟试验箱测试了Asphalt-SSPCM的降温效果。结果表明,二氧化硅凝胶具有丰富的孔结构并能将聚乙二醇吸附于其介孔结构中;沥青中PEG/Si O_2 SSPCM仍含有聚乙二醇晶体,其储热能力随聚乙二醇含量的增加而增大,当聚乙二醇含量为76.1%时,相变焓高达117.5J/g,且不同聚乙二醇含量的沥青-定形相变材料均表现出良好的热稳定性;PEG/Si O_2 SSPCM与沥青的化学兼容性良好,二者之间仅是物理作用;Asphalt-SSPCM的降温效果显著,可有效改善沥青路面的高温性能;并基于相变理论,分析了沥青-定形相变材料的相变储热原理。

定形相变材料的研究进展

定形相变材料是以聚合物为基体,相变物质分布在聚合物三维网状结构中的一种新型相变材料。定形相变材料在相变过程中表现为宏观固相、微观液相,支撑和力学性能优秀,不易泄漏,因其优良的加工性能和安全性能而受到广泛关注,并表现出了广阔的应用前景。本文综述了定形相变材料的制备、导热和阻燃性能等方面的研究进展,并从实验和模拟两方面综合评价了定形相变材料在建筑节能方面的使用性能,展望了定形相变材料的发展前景。

癸酸-肉豆蔻酸/硅藻土定形相变储能材料制备及性能研究

以癸酸(CA)与肉豆蔻酸(MA)复合制备的CA-MA二元低共熔脂肪酸为储能基元材料,硅藻土为储能载体,基于真空吸附法制备了CA-MA/硅藻土定形相变储能材料。采用FT-IR、SEM、DSC、TG对定形相变材料的结构、形貌和热性能等进行了分析。结果表明,CA-MA二元低共熔脂肪酸被吸附到硅藻土的孔道中,二者之间为物理结合。质量分数为45%CA-MA的定形相变材料,CA-MA在反复循环相变中未发生泄漏,其熔化、凝固相变温度分别为22.75、14.52℃,相变焓分别为67.03、66.85J/g,相变温度适中,相变焓高,热稳定性好,适用于建筑领域。

定形相变材料的制备方法

综述了定形相变材料各种制备方法的研究进展,介绍了定形相变材料的应用,总结了定形相变材料主要制备方法的发展方向。

不同聚烯烃包覆石蜡的定形相变材料性能比较研究

用乙烯-辛烯共聚物(POE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)取代高密度聚乙烯(HDPE)作为包覆材料,石蜡作为相变材料,通过热熔法制备了60%石蜡含量的定形相变材料(FSPCM),以此来提高定形相变材料的稳定性。用高温老化试验,恒温水浴试验和温度循环试验研究了定形相变材料的稳定性能。试验结果表明,POE/石蜡定形相变材料和EVA/石蜡定形相变材料的质量损失率远小于HDPE/石蜡定形相变材料的质量损失率。利用DSC研究了定形相变材料、石蜡及相应的基体树脂的热性能,并以此计算定形相变材料中实际的石蜡含量。结果表明,当设计含量为60%时,POE/石蜡定形相变材料和EVA/石蜡定形相变材料的实际石蜡含量为49.75%和58.49%,而HDPE/石蜡定形相变材料的仅为42.78%。这一结果与HDPE/石蜡定形相变材料样品在平板硫化机制备过程中发现有较多石蜡流出相一致。