有机相变材料分类及运用

1、有机相变材料分类及运用有机相变材料作为一种储能材料，在降低建筑物能耗、提高能 源利用率方面具有显着的优势，下面是的一篇探究有机相变材料运 用的范文，供大家阅读借鉴。第三次工业革命之后人类科技得到了高速开展，随之而来的是 能源需求的逐年增加。根据国际能源署(Internatio-nal Energy Agency,IEA)的报道，化石燃料消耗占全球能源消耗的81%,而且这 一趋势将持续到2030年1.化石燃料资源的持续减少以及能源使用 中产生的温室气体、有毒气体、粉尘等严重威胁着人类生存和自然 环境。与此同时，能源短缺的现状与人们日益增长的室内温度舒适 度需求之间的矛盾也不可无视。能量存储技术被

2、看作是解决能源短 缺问题的有效途径，将它应用在建筑中既可以降低能耗、提高能源 利用率，又可以降低温室气体的排放。相变材料(Phase change materials,PCM)是一种高效储能物 质，当环境温度发生改变时它会由一种相态转化到另一种相态，同 时伴有能量的吸收(释放)而自身温度不会发生改变。利用相变材料 这一独有的特性来协调能量供求在时间和强度上不匹配的问题是经 济可行的方法，因而它被广泛地应用于能量储存和温度控制领域2. 将相变材料应用于建筑材料中，可得到具有储能和控温功能的复合 型建筑围护构造，在减小室内温度波动，提高舒适度的同时，还可 以减轻建筑构造自重，节省空调采暖费用3.相

3、变材料可以分为有 机相变材料(Organic phase changematerials,OPCMs)、无机相变材 料(Inorganic phase changematerials,IPCMs)和复合相变材料 (Composite phase changematerials,CPCMs)。其中有机相变材料具 有相变潜热大、无过冷、无腐蚀、无体积效应、无毒无害等优点4, 得到科研工作者的广泛关注。本文综合国内外科研工作者近5年的 科研成果，总结了有机相变材料在建筑节能领域的研究现状。1.1石蜡石蜡是精制石油的副产品，通常是从原油的蜡馏分中别离而 得，需要经过常减压蒸馏、溶剂精制、溶剂脱蜡脱油、

4、加氢精制等 工艺才能从石油中提炼出来5.石蜡主要由含碳数为1430的直链 烷烃构成，具有相变温度宽(1080C)、蓄热密度中等、相变潜热高 (200300J/g)等特点。表1列出了不同含碳数直链烷烃的热物性 质。直链烷烃的熔点随含碳数的增加而升高，相变潜热总体上也随 含碳量的增加而增加6.石蜡类相变材料在储能领域得以广泛应用的原因在于它具有相 变潜热高、相变温度范围宽、无过冷现象、价格低廉等优点7,以 及稳定的化学性质。Shukla等8报道了入、B、C三种不同相变温 度石蜡的冻融循环测试结果。石蜡A和B经过600次循环后相变潜 热和相变温度均发生少量降低。然而，石蜡C经过1500次循环后的 热

5、性能与循环600次的A和B相差无几。这说明石蜡类相变材料在 初期会发生储热性能的衰减，但经历了初期的性能衰减之后，石蜡 性能趋于稳定，适合长期使用。Alkan等9用聚丙烯和石蜡制备出 一种定型相变材料。为了验证材料的稳定性，他们对3000次冻融循 环后的定型相变材料进展差示扫描量热分析(Dif-ferential scanning calorimeter analysis,DSC)和傅里叶红外光谱分析 (Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)，测试结果说 明无论在蓄热能力还是化学稳定性上，这一复合材料都表现出了优 异的性能。根据以上工作可以

6、看出，石蜡类相变材料在热稳定和化 学稳定性上具有很好的可靠性。1.2脂肪酸及其衍生物常见的有机相变材料除石蜡外，还有脂肪酸及其衍生物。脂肪 酸及其衍生物是一类羧酸化合物，由碳氢组成的烃类基团连结羧酸 所构成。脂肪酸及其衍生物与石蜡一样具备了潜热高、过冷度低、 无毒无腐蚀、广泛等特点7,10.另外，脂肪酸及其衍生物特有低共 熔效应-将不同脂肪酸熔融混合形成低共熔混合物，可有效降低混 合物的相变温度，从而拓宽了脂肪酸类相变材料相变温度范围，使 得其应用领域更加广泛11.刘程等12对脂肪酸低共熔混合物相变 温度和潜热理论预测公式进展了选择和实验验证，通过DSC测试月 桂酸-肉豆蔻酸二元低共熔混合物、

7、月桂酸-肉豆蔻酸-棕榈酸三元低 共熔混合物的热物性参数，发现理论预测公式对低共熔质量配比和 相变温度预测与实验结果吻合较好，可以用于计算脂肪酸类低共熔 混合物的热特性参数。在此根底上，他们用5种不同的饱和脂肪酸 作原料，制备了10种低共熔混合脂肪酸，它们的熔点覆盖建筑暖通 空调设计温度范围，最大相变潜热可达177.39J/g.付路军等13以癸酸和月桂酸作为储能材料，基于施罗德公式计算结果制备 了相变温度各不相同的4种低共融相变材料，其相变温度在 2025C之间，相变潜热均大于103J/g.而后他们用溶胶-凝胶法将 低共融相变材料嵌入多孔SiO2的三维网络构造中，成功制得癸酸- 月桂酸/SiO2

8、定型相变材料。通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)观察可知，癸酸-月桂酸被束缚在SiO2的 网格中不会发生液相泄漏。DSC分析说明，定型相变材料的相变潜 热是70.17J/g,相变温度是20.96C。相变材料在建筑材料中的应用主要分为两大类：一类是把相变 材料与建筑围护构造结合，制成相变蓄能围护构造，可大大增加围 护构造的蓄热作用，使建筑物室内和室外之间的热流波动幅度被减 弱、作用时间被延迟，从而提高建筑物的温度自调节能力和改善室 内环境，到达节能和舒适的目的;另一类是把相变材料与大体积混凝 土结合，制成相变温控混凝土，能有效降低混凝土内部温升

9、速率、 延缓峰值出现时间，从而将有利于解决混凝土因水泥水化热所引起 的早期开裂，改善材料耐久性14.2.1石蜡类相变材料的应用相变材料在使用过程中会发生相态 的交替变化，即由固态（液态）转化为液态（固态）。因此，在实际使 用过程中对相变材料进展封装是很有必要的。相变材料常见的封装 方法有浸泡吸附、高聚物定型、微胶囊化等2,11.李启金等15 以 膨胀珍珠岩为支撑材料，石蜡为储能材料，制备了石蜡/膨胀珍珠岩 复合相变储能材料。他们采用扩散-渗出圈法确定了膨胀珍珠岩的最 正确吸附量为65%;对复合相变材料进展SEM和DSC表征，结果说 明：膨胀珍珠岩的内部孔隙根本被石蜡完全填充，其自身成为了密 实

10、颗粒;复合相变储能材料的相变温度与石蜡的相变温度根本一致， 其相变潜热与对应质量分数下石蜡的相变潜热相当。对于浸泡吸附 法来说，支撑材料的颗粒大小和孔径对相变材料的吸附率也会产生 影响。Li等16使用3种颗粒粒径依次增大的硅藻土 DP1P、DP2P和 DP3P对石蜡的吸附情况进展了研究。实验说明：不同的硅藻土吸附 石蜡后直接与水泥粉混合制备相变水泥板，当复合材料发生相变时 石蜡会发生泄露，其泄露量随硅藻土颗粒的增大逐渐降低;使用外表 改性剂对硅藻土进展改性后相变材料的泄露问题可以得到彻底解 决。王伟等17 采用浸泡吸附法制备了十八烷-膨胀珍珠岩复合相变 材料，其中十八烷含量为膨胀珍珠岩的132

11、%,即m（膨胀珍珠 岩）：m（十八烷）二1：1.32.经DSC和FT-IR分析可知复合相变材料在 具有优异热性能的同时，十八烷与膨胀珍珠岩也具有良好的相容 性。为了进一步验证复合相变材料的使用性能，他们采用水泥干粉 并经水养护所形成的水泥浆体对复合相变材料进展封装，封装后十 八烷在膨胀珍珠岩中的容留率由封装前的75%提高到97%以上，到达 减少其在水泥基质中使用时相变材料融化泄漏的效果。除了浸泡吸 附法外，相变材料常见的封装方法还有高聚物定型法。Chen等18用聚亚胺酯作支撑材料，正十八烷、正二十烷、石 蜡作为相变材料，采用聚乙二醇为软模板，4,4-二苯基甲烷-二异 氤酸酯和1,4-丁二醇作为

12、硬模板合成了相变材料质量分数为10%、 20%、25%、30%的聚亚胺酯相变材料。实验说明：聚亚胺酯相变材料 的最大包覆比是25% ;热重分析（Thermal gravimetric analysis,TGA）和DSC测试验证了材料在高温环境下的热稳定性和聚 亚胺酯相变材料的储热能力。Trigui等19用低密度聚乙烯作为支撑材料，制备了石蜡-低 密度聚乙烯复合相变材料。同时研究者将这种定型相变材料应用在 模拟被动式太阳能房的墙体装置中，研究了相变材料的热工性能。 首先他们成功制备出石蜡含量为60%的复合相变材料，其相变温度 和潜热分别是23.67 C、134.93J/g;随后他们用自行设计的装

13、置测 试了材料的热工参数，包括比热容、潜热、导热系数等。虽然有机 相变材料具有相变温度宽、化学性质稳定、价格低廉等特点，但是 它的导热能力却相对较弱。大量的研究者在提高材料导热系数方面 做了很多工作。Lachheb20和Cheng21 都使用了石墨来增强复合相变材料的 导热系数。前者用两种孔径不同的石墨作为导热介质，研究了石墨 孔径对相变石蜡导热系数的影响。结果说明，石墨对相变石蜡的相 变温度没有影响;相变石蜡导热系数的提高与添加石墨的量成比例， 石墨含量越高，导热系数越大。为了进一步强化材料的加工使用性 能，Cheng等将石墨-石蜡复合材料与高密度聚乙烯热加工成型，制 备了定型复合相变材料，

14、比较了石墨和膨胀石墨对材料导热性能的 影响。结果说明，膨胀石墨提高材料导热系数的能力比普通石墨 强，添加16%的石墨材料导热系数提高67.74%,而添加 1%的膨胀石墨就将导热系数提高87.1%.浸泡吸附法和高聚物定型法 虽然可以将相变材料较好地包覆，但是经过屡次冻融循环后仍会有 液相相变材料泄漏、相变材料沉积等问题。能将相变材料完全封装 并持久性的方法是微胶囊化。Sar?等22采用乳液聚合法制备了粒径在0.140.4mm的正十 七烷-聚甲基丙烯酸甲酯相变微胶囊。其中正十七烷是芯材，聚甲基 丙烯酸甲酯是壳材，包覆率为37%.这种相变微胶囊经过5000次冻 融循环后储热能力和相变温度几乎不发生改

15、变，芯材与壳材不会发 生化学反响。尚建丽等23 以石蜡为芯材，聚脲和聚氨酯为壁材， 采用界面聚合法制备了单层和双层壁材的相变微胶囊，结果说明， 与同条件下制备的单层壁材微胶囊相比，双层壁材微胶囊在合成过 程中反响充分、产率较高，在室温环境下相变温度为19.02C，且保 持了较高的相变潜热(79.9J/g)，适合于建筑用相变材料。Su等24 采用原位聚合法，以甲醇改性三聚氤胺聚甲醛为壁材，石蜡为芯材 合成相变微胶囊。FT-IR结果说明，这种原位聚合法在降低甲醇剩 余量的同时，还可以增强材料的交联构造。通过改变合成过程中的 转速可以有效控制合成微胶囊相变材料的粒径。2.2脂肪酸及其衍生物的应用脂肪

16、酸及其衍生物因其良好的蓄热性能和低廉的价格被广泛应 用在建筑节能领域。在储能领域应用的饱和脂肪酸一般有癸酸、月 桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸。表210,12列出了这些饱和脂 肪酸的热性能。从表2中不难看出这些脂肪酸的相变温度均高于暖 通空调设计标准要求的冬季1822C，夏季2426C.因此需要将脂肪 酸的相变温度降低。根据施罗德公式，将两种或两种以上的脂肪酸 熔融结晶可以得到特定温度的相变材料，这样的相变材料被称为二 元（多元）相变材料Zuo等25制备了月桂酸-肉豆蔻醇二元相变储 能材料，并制备了肉豆蔻醇质量分数在10%80%范围内的一系列低 共融相变材料。经过DSC测试得知：随着肉豆蔻醇含

17、量的增加，低 共融相变材料的熔融温度逐渐降低;当肉豆蔻醇的含量超过60%之 后，相变温度那么逐渐增高;肉豆蔻醇质量分数为60%时，低共融相 变材料的相变温度为24.33 C,相变潜热为161.45J/g.为了测试低 共融相变材料的热稳定性，研究者分别进展了 30次和90次冻融循 环，测试结果说明，无论是材料的比热容还是相变潜热都没有发生 明显的，说明低共融相变材料具有良好的热稳定性。为了防止材料在相变时发生泄露，对脂肪酸进展封装是必要 的。Li等26用不同的脂肪酸分别制备了相变温度为19.1C、 22.1C、26.8C、35.2C、36.7C、53.2 。的二元脂肪酸相变材 料，然后用不同孔径

18、的硅藻土与二元脂肪酸相变材料复合。经DSC 测试，根据施罗德公式可以计算出不同配比二元脂肪酸的相变温 度。硅藻土的孔隙构造可以对脂肪酸进展有效的吸附，从而防止材 料在相变时发生泄漏。二元脂肪酸-硅藻土复合相变材料的相变潜热 较二元脂肪酸的相变潜热降低57%，相变温度少量升高。Wang等27用二元脂肪酸相变材料与聚甲基苯烯酸甲酯制备定 型相变材料，并对这种复合材料的微观形态和热性能做了表征。他 们分别用癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和硬脂酸作原料，根据不同比例 制备出4种相变材料，其热性能如表3所示。另外，他们分别将4 种二元脂肪酸与聚甲酯苯烯酸甲酯混合，制得定型相变材料。经 SEM扫描发现，聚甲基苯烯

19、酸甲酯作为支撑材料将相变材料包覆在 其三维网络构造之内，在相转变时不会发生泄漏。经过冻融循环测 试后进展DSC分析发现，月桂酸-肉豆蔻酸低共融相变材料含量为 70%时，潜热值最大且不会发生泄漏。张天友等28,29 以多孔膨胀 石墨为载体、硬脂酸丁酯为相变材料制备了相变储热复合材料，将 所得材料与脱硫石膏和高分子乳液BASF400混合制备了相变储能石 膏板，发现当m（硬脂酸丁酯）：m（膨胀石墨）=15： 1时，DSC测得复 合材料的相变温度为16.2C，相变潜热为112.4J/g.在张天友等研究 的根底上，Shi等用石膏将吸附相变材料后的石墨成型，他们发现 石膏质量不超过总质量的5%可以保证定型相变材料的储热性能和力 学性能最正确。王宏丽等30用真空