石蜡微胶囊相变材料的制备及其复合相变石膏建材的力学和热性能研究

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相变材料以其优良的潜热储能性能在建筑节能领域具有巨大的发展空间。将相变材料同建筑材料相结合,可以在不增加建筑物自重的情况下提高建筑物的蓄热性能,达到减小室内温度波动、改善室内环境热舒适度的效果。在实际应用中,将相变材料和建筑材料直接复合会引起热循环过程相变材料的泄露问题,对建筑材料的力学性能和耐久性产生不利影响,相变材料的微胶囊化为该问题提供了有效的解决方法。本文采用一种相变温度适宜、廉价的相变石蜡作为芯材,通过不同的制备方法分别制备以三聚氰胺-脲素-甲醛树脂和二氧化硅为壁材的微胶囊相变材料,对制备微胶囊相变材料的热性能进行了分析研究;为了探索微胶囊相变材料在建筑材料中可能存在的问题,将制备的微胶囊相变材料掺加到石膏中制备相变石膏建筑材料,并研究了制备相变石膏建材力学和热性能。主要研究内容和结果如下:(1)通过原位聚合法制备了三聚氰胺-脲素-甲醛树脂壁材微胶囊相变材料,研究了不同乳化剂对制备微胶囊相变材料粒径分布,微观形貌和相变潜热的影响。结果表明:芯材石蜡被壁材有效的包覆起来且二者没有发生化学反应,形成球形的“核-壳”结构微胶囊。微胶囊颗粒大致呈球形,表面光滑致密,氧化石墨烯(GO)加入可有效增强微胶囊相变材料的的热稳定性能。当以GO、Span80和Tween80复合作为乳化剂时制备的微胶囊相变材料颗粒分布相对集中,其熔融焓和结晶焓分别为32.2J/g和39.5J/g,石蜡的包覆率达49.9%,微胶囊相变芯材热分解温度明显提高,具有优良的抗渗性;当以GO作为乳化剂时,制备的Micro-PCMs熔融焓和结晶焓分别为45.5J/g和35.6J/g,石蜡包覆率达到56.4%。(2)通过溶胶-凝胶法成功制备了以SiO2为壁材,石蜡为芯材的微胶囊相变材料,研究了不同乳化剂不同pH条件对制备微胶囊相变材料热性能的影响。结果表明:微胶囊核壳材料之间没有发生化学反应,石蜡成功地被封装到SiO2壳材中,当采用Span80和Tween80作为乳化剂,在pH=2.5的条件下制备的微胶囊相变材料表面致密光滑,抗渗性能良好,粒径分布均匀且平均粒径细小,具有较高的相变潜热和包覆效率,熔融热焓为61.12J/g,结晶焓为59.52J/g,包覆率达到83.9%;SiO2壁材对复合相变材料起到保护的作用,减缓了相变材料热分解的过程,微胶囊内部石蜡的分解较纯石蜡相比有显著的延迟,增强了相变材料的热稳定性。(3)将制备的微胶囊相变材料掺加到石膏中得到相变石膏建筑材料,研究表明:随着微胶囊含量的增加,相变石膏建材的力学性能逐渐降低,SiO2壳微胶囊与石膏的相容性要明显优于MUF壳微胶囊,当SiO2壳微胶囊材料的含量低于50 wt%时,SiO2壳微胶囊在石膏晶体间均匀分散且晶体结构不发生改变;微胶囊相变储能材料与石膏建材的复合,可以显著地提高石膏建材的相变潜热,在升温和降温过程中能够有效的减小温度波动;相变石膏建材具有良好的热稳定,在长期冷热循环过程中能够保持良好的性能;随着微胶囊含量的增加,相变石膏建材的导热系数逐渐降低。
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