于文艳, 殷凯

(内蒙古工业大学土木工程学院, 呼和浩特 010051)

随着生活质量的不断提高,建筑能耗随之不断增加。在双碳目标下,能源的高效利用越来越重要[1]。相变材料(phase change materials,PCM)在储放热过程中具有能量密度高、温度变化小的特点[2],能在几乎恒定的温度下吸收或释放热量,与建筑材料相结合,可以减少室内温度的波动[3-4]。利用相变材料调节室内的空气温度,可以达到提高室内热舒适度和建筑节能的目的[5-6]。目前相变材料与建筑材料的结合方式主要包括直接掺入[7]、浸入式[8]和微胶囊封装[9]。前两种方法将相变材料直接混合到建筑材料如石膏、混凝土及其他建筑围护结构中[10-12],然而在长期使用过程中往往会出现泄漏的问题。而微胶囊封装将相变材料封装在不同材料的壳体中,能够防止相变材料的泄漏[13]。目前广泛应用于建筑[14]、纺织[15]、化工[16]等领域。

但与建筑围护结构结合的过程中却不可避免地出现力学性能下降的问题,如陈金平等[17]发现在配合比相同的前提下,砂浆的强度受相变材料本身的影响较大,相较于普通砂浆,相变储能砂浆的抗压强度会明显降低。宋云连等[18]通过实验发现随着相变材料掺量的增大,相变沥青混合料的劈裂强度降低,同时其低温抗裂性也会进一步降低。苏高伟等[19]以水泥为基体,将微胶囊相变材料掺入其中制得复合相变材料。研究结果表明,复合相变材料的储放热性能与微胶囊相变材料的掺量呈正比,力学性能呈反比。同时Cui等[20]通过实验也发现当水泥基相变砂浆中的相变材料含量为20%时,力学性能会降低30%～40%。鉴于此,国内外学者开始寻求其他解决路径,Jeong等[21]研究了微胶囊相变材料与不同类型涂料之间的相容性。结果表明:微胶囊相变材料在涂料中具有良好的兼容性和热耐久性。张云峰等[22]通过将微胶囊相变材料添加到涂料中,发现随着添加量的增加,复合相变涂料的储放热性能依次增强。Han等[23]报道,与不含相变材料的涂层相比,含有微胶囊相变材料的涂层可以降低室内温度。Lei等[24]实验发现热带气候条件下,建筑围护结构中冷色涂层和相变材料相结合是一种很好的被动式降温节能方法。而建筑涂料通常可用于建筑围护结构保温性能的改善上,并且易于之相结合[25]。综上可知,微胶囊相变材料与建筑墙体相结合,不可避免地会降低建筑围护结构本身的力学性能;而与涂料相结合的方式,两者不仅具有一定的兼容性,还可以提高蓄热调温的能力。

因此,将微胶囊相变材料与建筑墙体表面的涂层相结合,在避免此类问题的同时,还可以起到改善室内热环境的作用。现将微胶囊相变材料加入到腻子粉中制备复合相变涂料,通过设计合理的配合比,制备出适用于建筑墙体表面的复合相变涂料,并应用于水泥板内表面,通过观察表面温度、热流密度以及室内温度的变化规律,研究不同微胶囊相变材料含量下复合相变涂层对于蓄放热性能的影响,为建筑领域使用复合相变涂料提供实验数据。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

腻子粉,主要成分为滑石粉和胶水,内蒙古曜亚装饰有限公司;微胶囊相变材料(microcapsule phase change material,MPCM),正十八烷为芯材,密胺树脂为壳材,熔点28 ℃,相变潜热188.45 J/g,上海儒熵新能源科技有限公司。

电子天平SB10002,精度±0.01 g,永康市五鑫衡器公司;低温恒温槽DC-0506,精度±0.01 ℃,北京中科信佳科技有限公司;温湿度记录仪HOBO UX100,温度精度±0.5 ℃,湿度精度±3.5%,美国HOBO公司;多通道温度热流测量仪JTNT-A,温度精度±0.5 ℃,热流精度±4%,北京世纪建通科技股份有限公司;红外热成像仪FLIR T200,美国菲力尔公司;扫描电子显微镜 FEI-Quanta 250 FEG,美国FEI公司;差式扫描量热仪DSC 3500 Sirius,德国耐驰公司;热重分析仪TG-209 F3,德国耐驰公司。

1.2 复合相变涂层的制备

复合相变涂料的配比如表1所示。微胶囊相变材料与腻子粉质量比分别为0、10%、20%、30%。复合相变涂层的制备方法如下:将腻子粉与微胶囊相变材料在烧杯中均匀混合后,加入蒸馏水,搅拌呈粘稠状,均匀涂抹在水泥板上,其中水泥板的尺寸为长×宽×厚=300 mm×200 mm×4.5 mm,如图1所示。

图1 复合相变涂层的水泥板Fig.1 Cement slab with composite phase change coatings

1.3 复合相变涂料的表征与性能测试

利用扫描电镜对腻子粉与复合相变涂料的微观形貌结构进行观察分析。利用差式扫描量热仪在氮气气氛中以10 ℃/min的速率在-10～50 ℃温度范围内测量复合相变涂料的相变温度和相变潜热。利用热重分析仪在氮气气氛中以10 ℃/min的速率在30～500 ℃温度范围内测试复合相变涂料的热稳定性。利用红外热成像仪记录复合相变涂层升温阶段(0～65 ℃)的表面温度及颜色的变化情况。

利用自制的试验装置测试复合相变涂层的蓄放热特性,该试验装置的尺寸为350 mm×250 mm×275 mm,顶部由尺寸为300 mm×200 mm×4.5 mm的水泥板及厚度为2 mm的涂层组成,其余部分为25 mm厚的挤塑聚苯乙烯保温板(XPS),图2中温度传感器及热流传感器记录内壁面温度以及热流密度的变化,位于箱体内部中央位置的温湿度记录仪记录室内的温度变化,使用额定功率为150 W的保温灯模拟太阳辐射对含有复合相变涂层的水泥板进行加热,加热和冷却时间分别为30 min和90 min,具体构造如图3所示。

表1 复合相变涂料的配比Table 1 Composition ratio of composite phase change coatings

图2 复合相变涂层蓄放热特性测试装置Fig.2 Test device for heat storage and release characteristic of composite phase change coatings

图3 试验装置构造图Fig.3 Test device structure drawing

2 结果与讨论

2.1 复合相变涂料

2.1.1 复合相变涂料的微观形貌

对普通涂料及复合相变涂料进行扫描电镜分析,图4为普通涂料与复合相变涂料的扫描电镜图像。从图4(a)中可以看出普通涂料的表面是由形状不规则的颗粒物组成,并且颗粒物之间还存在孔隙,这种多孔结构也为微胶囊相变材料(MPCM)在其表面的附着提供良好的机械强度。而在图4(b) 复合相变涂料的微观结构图中,众多微胶囊相变材料均匀吸附在涂料表面,未出现明显破裂现象,且大多数MPCM均能保持其原始的形态。这表明,微胶囊相变材料与涂料的兼容性较好。

图4 普通涂料和复合相变涂料的扫描电镜图像Fig.4 SEM images of ordinary coatings and composite phase change coatings

2.1.2 复合相变涂料的相变特性

微胶囊相变材料和复合相变涂料的差式扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)曲线如图5所示。微胶囊相变材料熔化过程和凝固过程的相变初始温度分别为25.75和23.16 ℃;微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂料熔化过程的相变初始温度分别为27.12、26.27、25.23 ℃,凝固过程的相变初始温度分别为23.22、25.30、24.98 ℃。微胶囊相变材料和复合相变涂料的相变峰值温度和相变潜热见表2。微胶囊相变材料熔化过程和凝固过程的相变潜热分别为186.07和188.45 J/g。随着微胶囊相变材料含量的增加,复合相变涂料熔化和凝固过程中的相变潜热逐渐增大。微胶囊相变材料含量为10%、20%和30%的复合相变涂料熔化过程的相变潜热分别为14.03、84.23及90.10 J/g;凝固过程的相变潜热分别为13.53、86.64及93.85 J/g。

图5 微胶囊相变材料及复合相变涂料的DSC曲线Fig.5 DSC curves of MPCM and composite phase change coatings

表2 微胶囊相变材料和复合相变涂料的相变峰值 温度和相变潜热Table 2 Phase change peak temperature and latent heat of microcapsule phase change material and composite phase change coatings

2.1.3 复合相变涂料的热稳定性

微胶囊相变材料和复合相变涂料的热重曲线如图6所示。可以看出,微胶囊相变材料从60 ℃开始热失重,500 ℃时质量剩余仅为4%,复合相变涂料热重曲线的变化趋势基本一致,复合相变涂料均在70 ℃左右开始热失重。随着微胶囊相变材料含量的增加,复合相变涂料的热稳定性有所降低。微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂料500 ℃时质量剩余分别为91%、84%、78%。

图6 微胶囊相变材料及复合相变涂料的热重曲线Fig.6 Thermogravimetric curves of MPCM and composite phase change coatings

2.2 复合相变涂层的蓄放热特性

2.2.1 复合相变涂层的调温特性

复合相变涂层升温阶段(0～65 ℃)的表面温度变化如图7所示。图7中(1) (2) (3) (4)分别代表普通涂层和微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂层。在1～16 min时间段内,普通涂层表面温度增加了25.7 ℃,微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂层表面温度增加了23.4、22.1、19.9 ℃。可以看出,升温阶段,复合相变涂层的温度变化速率比普通涂层慢,蓄热能力比普通涂层有明显提升。

图7 复合相变涂层升温阶段的表面温度变化Fig.7 Surface temperature changes of the compositephase change coatings at the heating stage

微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂层的表面温度随时间的变化曲线如图8所示。可以看出,微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂层的升温曲线相似,复合相变涂层的表面温度始终低于普通涂层,复合相变涂层与普通涂层的表面温差随着时间的推移逐渐增大,且随着微胶囊相变材料含量的增加,复合相变涂层与普通涂层的表面温差呈递增趋势。在16 min时,微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂层与普通涂层的表面温差分别为4.9、5.9、8.7 ℃。这表明,复合相变涂层具有良好的调温效果。

图8 涂层的表面温度随时间的变化曲线Fig.8 Surface temperature curve of coating with time

2.2.2 复合相变涂层的蓄放热特性

图9为复合相变涂层的蓄放热特性曲线．从图9可以看出,涂有复合相变涂层水泥板的内表面升温速率随着微胶囊相变材料含量的增加而降低。在升温阶段(0～30 min),普通涂层的表面峰值温度可达到44.8 ℃,而微胶囊相变材料含量为10%、20%和30%的复合相变涂层的表面峰值温度依次为44.4、43.9和41.3 ℃。与普通涂层相比,分别降低了0.4、0.9和3.5 ℃。而在降温阶段(30～90 min),随着微胶囊相变材料含量的增加,复合相变涂层的降温速率逐渐降低。90 min时,普通涂层的表面温度最低为21.2 ℃。而复合相变涂层的表面温度依次为21.8、22.3和24.2 ℃,分别提高了0.6、1.1和3.0 ℃。

图10为水泥板内表面热流密度的变化曲线,在升温阶段(0～30 min),普通涂层的热流密度不断增加;而复合相变涂层的热流密度出现下降的趋势,且微胶囊相变材料的含量越高,下降趋势持续的时间越长。其原因为在升温过程中,当复合相变涂层的温度达到微胶囊相变材料的相变温度时,微胶囊变材料的芯材会吸热融化,使表面热流密度降低,且微胶囊相变材料含量越多,吸热量随之增加。

图9 内表面温度变化曲线Fig.9 Temperature variation curve of inner surface composite phase change coating

图10 内表面热流密度变化曲线Fig.10 Change curve of heat flux on inner surface

2.2.3 复合相变涂层的室内温度变化特性

蓄放热特性测试装置中室内温度随时间的变化曲线如图11所示测试装置内的初始室温均为22 ℃。在升温阶段(0～30 min),室内升温速率随着微胶囊相变材料含量的增加而降低。30 min时微胶囊相变材料含量为0、10%、20%和30%的复合相变涂层的室内温度达到峰值,分别为36.3、35.5、35.0和33.1 ℃,复合相变涂层与普通涂层的温差逐渐增大,最大为3.2 ℃。而在降温阶段(30～90 min),室内降温速率会随着微胶囊相变材料含量的增加而降低。当室内空气从初始室温升高到33 ℃时,普通涂层所需时间为20.5 min。然而,微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂层所需时间分别为22、23.5和28.5 min,室内空气温度分别延迟了1.5、3和8 min。如图11中的阴影部分所示,在升温阶段(0～30 min),普通涂层室内温度保持24～28 ℃的时间为6 min,而微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂层保持24～28 ℃的时间分别为7、7.5和9 min。这是由于微胶囊相变材料的蓄热作用引起的。在降温阶段(30～90 min),普通涂层室内温度保持24～28 ℃的时间为17 min,微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂层保持24～28 ℃的时间分别为21、26.5和37.5 min。

图11 室内温度随时间的变化曲线Fig.11 Variation curve of indoor temperature with time

整个温度变化过程中,普通涂层室内温度保持24～28 ℃的时间为23 min,微胶囊相变材料含量为10%、20%、30%的复合相变涂层室内温度保持24～28 ℃的时间分别为28、34和46.5 min。与普通涂层相比,随着微胶囊相变材料含量的增加,复合相变涂层室内温度保持24～28 ℃的时间逐渐增加,微胶囊相变材料含量为30%的复合相变涂层室内温度保持24～28 ℃的时间比普通涂层延长23.5 min。这是由于当室内空气温度低于相变温度时,微胶囊相变材料可将其储存的热量释放到室内空气中,延长了室内温度保持24～28 ℃的时间。可以看出,复合相变涂层能明显降低峰值温度和温度的波动范围,起到调节室温的作用。

3 结论

将微胶囊相变材料加入到腻子粉中制备复合相变涂料,对其微观形貌、相变特性和热稳定性进行了表征。将复合相变涂料应用于水泥板内表面,研究微胶囊相变材料含量对复合相变涂层蓄热调温性能的影响,主要结论如下。

(1)球形微胶囊相变材料与涂料的兼容性较好,在涂料中均匀分布。随着微胶囊相变材料含量的增加,复合相变涂料熔化和凝固过程中的相变潜热逐渐增大．复合相变涂料均在70 ℃左右开始热失重．随着微胶囊相变材料含量的增加,复合相变涂料的热稳定性有所降低。

(2)复合相变涂层的温度变化速率比普通涂层慢,蓄热能力比普通涂层有明显提升,且能明显降低峰值温度和温度的波动范围。

(3)与普通涂层相比,随着微胶囊相变材料含量的增加,复合相变涂层室内温度保持24～28 ℃的时间逐渐增加,微胶囊相变材料含量为30%的复合相变涂层室内温度保持24～28 ℃的时间比普通涂层延长23.5 min。