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制备工艺对SA_ATTP复合储热材料结构和性能的影响
2012-05-27 | 阅:  转:  |  分享 
  
第33卷第6期土木建筑与环境工程Vol.33No.6

2011年12月JournalofCivil



Architectural&EnvironmentalEngineering



Dec.2011

制备工艺对

SA



ATTP

复合储热材料结构和性能的影响







1a



1b

,郑





1a

,夏天东

1b

,冯辉霞

1a

,邱建辉





1.

兰州理工大学

a.

石油化工学院;

b.

甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州

730050



2.

日本秋田县立大学系统科学技术学部,日本秋田

015-0055



收稿日期:2011

-03-09

基金项目:国家自然科学基金(51063003);甘肃省自然科学基金(1014RJZA032);兰州理工大学优秀青年资助计划



Q200812



作者简介:王毅(1977



),男,副教授,主要从事复合材料结构与性能及水处理化学品的研究,(

E-mail



wangyi@lut.cn







要:以硬脂酸为相变材料,以甘肃临泽工业级凹凸棒石为载体,采用热熔法和溶液浸渍法制备





种硬脂酸/凹凸棒石复合相变储热材料,采用

FTIR



XRD



DSC



SEM

等手段进行了结构表

征和性能测试。结构分析结果表明制备方法对材料的结构和形貌不会产生影响,



种材料具有相似

的形貌和结构,

SA

分别以

38.64%



29.13%

的比例以物理作用吸附于

ATTP

表面。性能分析结

果表明热熔法和浸渍法制备的复合储热材料其相变温度峰值分别为

57.3℃



55.2℃

,相变潜热分

别为

68.71J







51.79J





,均具有较好的储热能力和化学稳定性,且储热能力和

SA



ATTP



面的吸附率成正比,但热循环实验表明浸渍法制备的复合材料的热稳定性较差。结合储热性能、储

热稳定性和化学稳定性的研究,证明熔融法更适合于制备建筑智能调温和建筑节能相变复合材料。

关键词:相变材料;硬脂酸;凹凸棒石;热能存储

中图分类号:

TU832.1

文献标志码:



文章编号:

1674-4764



2011



06-0145-06

EffectofFabricationTechnolo

gy

onthePerformanceandStructureof

StearicAcid



Atta



ul



iteCom



ositePhaseChan



eMaterials

WANGYi

1a



1b



ZHENGHan

1a



XIATian-don



1b



FENGHui-xia

1a



QIUJian-hui





1a.ColegeofPetrochemicalTechnology



1b.StateKeyLaboratoryofGansuAdvancedNon-ferrousMetalMaterials



LanzhouUniversityofTechnology



Lanzhou730050



P.R.China



2.DepartmentofMachineInteligenceandSystems

EngineeringFacultyofSystemsEngineering



AkitaPrefecturalUniversity



Akita015-0055



Japan



Abstract



Twokindsofstearicacid



SA

)/

attapulgite



ATTP



compositephasechangematerials



PCMs



werepreparedforthelatentheatthermalenergy



storage



LHTES



inbuildingsorotherareaby



the

methodsoffusionandimmersion



using



SAasPCMsandATTPsuppliedby



LinzeofGansuprovinceas

supporting



material.Thestructure



thermalproperties



thermalreliability



andheatstorageorrelease

performanceofthecompositePCMsweredeterminedbyscanningelectronmicroscope



SEM

),

fourier

transformationinfrared



FTIR

),

differentialscanning



calorimetry



DSC



andthermalcycling



testanalysis

technique.Theresultsindicatethatthepreparationmethodhasnoeffectonthestructureandmorphologies

ofthecomposites.TwokindsofcompositeshavesamestructureduetotheSAadsorbedinthesurfaceof

ATTPby



hysicalreaction.Theresultsalsoshowthattwoform-stablecompositesPCMshavetheoptimal

effectforpreventing



SAleakfromthecompositeemergeswhenthemaximumloadproportionofSAinthe

compositeswere38.64wt%and29.13wt%.Thelatentheatsandphasechangetemperatureweremeasured

as68.71J



gand57.3℃forthecompositewhichwaspreparedbyfusionmethodand51.79J



gand55.2℃

forthecompositefabricatedby



immersionmethod



respectively.TheresultsofDSC



FTIRandthermal

cycling



testarealshowing



thattwokindsofcompositeshavegoodheatstorageproperty



butthecomposite

preparedbyfusionmethodhasabetterthermalandchemicalstability.

Key



words



phasechangematerials



stearicacid



attapulgite



thermalenergy



storage



利用相变材料(

phasechangematerials



PCMs



的相变潜热进行能量贮存和应用的储热技术



thermalenergy



storage



TES

)已广泛应用于太阳

能热利用、建筑节能、电能“削峰填谷”以及工业废热

回收等领域

[1]

。单纯的

PCMs

虽然具有成本低、相

变潜热大和适用温度范围广等优点,但也存在过冷

严重、相分离、热导率低和易泄漏等缺陷。利用毛细

管或吸附作用将

PCMs

注入多孔材料形成复合相变

储热材料

[2

-5



和利用高分子包覆

PCMs

形成相变微

胶囊

[6

-8



是解决以上缺陷的主要手段。

比表面积大、吸附性能好和热导率高的硅酸盐

粘土是制备复合

PCMs

常用的载体。采用热熔法或

浸渍法将有机相变材料引入蒙脱土

[9

-10



、海泡石及

其改性物

[11]

、皂土

[12]

、硅藻土

[13]

、蛭石

[3,14]

和凹凸棒

石(

Attapulgite



ATTP



[15]

等无机硅酸盐表面或层

间,可得到在建筑智能调温和建筑采暖系统具有广

泛应用前景的复合

PCMs

[16

-17



。虽然采用热熔法和

浸渍法均可得到储热复合

PCMs

,但关于制备方法

对材料结构和性能的影响以及关于材料在热循环过

程中稳定性的研究十分缺乏。鉴于此,以硬脂酸



StearicAcid



SA

)为相变材料,以甘肃临泽产

ATTP

原矿为载体,采用热熔法和浸渍法制备了





SA



ATTP

复合相变储热材料,研究了制备方法

对材料结构和储热性能的影响。该研究不仅可拓展

ATTP

的应用范围,而且对

PCMs

的研究也具有一

定的指导意义。



实验部分

1.1

材料与设备

ATTP

,甘肃临泽工业原矿,凹凸棒石含量

51%~

57%

,伊利石和高岭石含量

18%~23%

,石英和长

石含量

15%~25%

,比表面积

110~150m







,吸蓝



45~65mg





。化学组成为(







)/



):

SiO2



51.61



Al2O3



14.06



MgO



7.10



CaO



5.26



Fe2O3



4.96



K2O



2.57



Na2O



1.41



Ti0.3873



Mn



0.0603







0.0585



Sr



0.0451



Ba



0.0424



Zr



0.0197







0.0093



Cr



0.0071



Zn



0.0067



La



0.0041



Ni



0.0032



Cu



0.0030







0.0024



Pb



0.0015



Th



0.0014



Nb



0.0013



Co



0.0010



SA

,分析纯,天津市凯通化学试剂有限公司;其余试

剂均为市售分析纯。

KQ3200DE

型数控超声波清洗器,昆山市超声

仪器有限公司;

DJ1C

增力电动搅拌机,江苏环保仪

器厂;

HH-5

型恒温水浴锅,江苏金坛市医疗仪器

厂。

1.2SA



ATTP

复合相变储热材料的制备

复合

PCMs

的制备是将一定量的

ATTP

加入

到如图



所示的自制装置中,加热至

75℃

,缓慢滴

加熔融的

SA



SA



CHCl3

饱和溶液直至

ATTP

完全润湿,减压至

0.02MPa

,继续滴加直至柱底出

现液体,

80℃

真空干燥

24h

得热熔法制备得热熔法

或浸渍法制备的复合相变储热材料,分别记为

M-

SA



ATTP



S-SA



ATTP



制备过程中为保证复合

PCMs

形态稳定、无泄

漏,所有制备样品均经过泄漏实验。泄漏实验是指

所制备的材料在高于

SA

熔点

10℃

以上的温度条件

下加热

30min

,若加热后用滤纸擦拭无

SA

痕迹则

称为稳定的相变储热材料。按负载率



(复合

PCMs

质量

-ATTP

质量)/

ATTP

质量

×100%

计算

负载率,得到热熔法和溶浸渍法制备

PCMs



ATTP



SA

的最佳比例分别为

5∶3



5∶2



图1



溶液真空注入装置图

1.3SA



ATTP

复合相变储热材料的表征及性能测试

采用

NETZSCHSTA-449C

型示差量热扫描

仪(

differentialscanning



calorimeter



DSC

)进行示

差热量扫描,试样质量

5~10mg

,氮气氛围,升温

641

土木建筑与环境工程



第33卷

速率

5℃



min

,扫描范围为室温

~100℃

。采用

JSM-6701

型扫描电子显微镜(

scanning



electron

microscope



SEM

)对其外观进行评价。采用

NicoletAVTAR360FT-IR

型红外光谱仪(

Fourier

TransformInfraredSpectrometry



FTIR

)进行结构

表征,溴化钾压片,在

4000~500cm

-1

范围内摄谱;

采用岛津

-XRD6000

型衍射仪进行

X-

射线衍射



X-ray



diffraction



XRD

)测试,

CuKa

辐射,管电压

40kV

,管电流

30mA

,连续记谱扫描(扫描速度

4°



min

,扫描范围

2°~60°

,狭缝宽度

Ds



1deg



Ss



1.00°Rs



0.3mm

);采用如图



所示自制装置测试

材料储热/放热性能,并评价其热稳定性。该装置通

过温度记录仪可实现在线温度检测,温度记录时间

间隔

2s



图2



储放热性能测试装置



结果与讨论

2.1

复合储热材料的表征

2.1.1FTIR

表征

ATTP



SA



M-SA



ATTP



S-SA



ATTP



FTIR

谱如图



所示。在

ATTP



征谱线中,

1030cm

-1



830cm

-1

附近的吸收峰分别

是由

VasSi-O-Si



VsSi-O-Si

所引起的。在

SA



征谱线中,

2800~3000cm

-1

处的强吸收峰是

-CH3



-CH2



VC-H

所致,

1700cm

-1

处是

VC=O

的频

率,

940cm

-1

附近的吸收峰是二分子缔合体

-OH



非平面

δH-O-H

吸收峰。对比

ATTP



SA



FTIR

谱,在

M-SA



ATTP



S-SA



ATTP2

种复

合材料的谱线中同时出现了

SA



ATTP

的特征

峰,且谱线中并没有新峰出现,这说明

SA



ATTP

之间既不存在任何化学反应也无化学键合。但复合

PCMs

谱线中吸收峰的强度、峰位有较小的改变,尤

其是羰基的伸缩振动峰与

ATTP



Si-O-Si

的吸收

峰有所重叠加宽,这说明

ATTP

表面的

-OH



SA

之间存在分子间作用力,该作用力可能为

ATTP



面羟基和

SA

羟基之间的氢键作用。

2.1.2XRD

表征

ATTP



SA



M-SA



ATTP



图3

ATTP



SA



M-SA



ATTP和S-SA



ATTP的FTIR谱

S-SA



ATTP



XRD

谱如图



所示。由图



可以

看出,

ATTP

谱中

2θ



8.94°



19.83°



27.36°



35.02°

的衍射峰是凹凸棒石的特征峰,

20.80°



26.68°



50.2°



SiO2

的特征衍射峰,由此可以看



ATTP

原矿的主要成分为

ATTP



SiO2

。对照

ATTP



XRD

谱,在

M-SA



ATTP



S-SA



ATTP



XRD

谱中,

ATTP

特征峰的峰形、半峰宽

以及衍射角没有发生变化,这表明复合过程没有破



ATTP

的晶体结构。结合

FTIR

谱,

SA



ATTP

之间不存在任何化学键合。

图4

ATTP



M-SA



ATTP和S-SA



ATTP的XRD谱

2.1.3

形貌表征

M-SA



ATTP



S-SA



ATTP



SEM

照片如图



所示。由图



可以看出,



种复

合材料中

ATTP

的棒状结构依然存在,这印证了

XRD



FTIR

的分析结果———在复合过程中

ATTP

的晶体结构未被破坏。由图



还可以看出,

吸附于

ATTP

表面的

SA

在凝固时将

ATTP

棒晶

粘合在一起,形成了团聚结构,该团聚结构形成了若

干微观储热单元。由于所有制备的材料均经历了泄

漏实验验证无

SA

的渗出,这说明吸附于

ATTP



面的

SA



ATTP

表面间仅存在物理作用。结合

FTIR



XRD

谱,证明采用热熔法和浸渍法制备的

M-SA



ATTP



S-SA



ATTP

复合储热材料结构类

似,

SA

因物理吸附作用吸附于

ATTP

表面。

741

第6期王



毅,等:制备工艺对

SA



ATTP

复合储热材料结构和性能的影响

图5

M-SA



ATTP和S-SA



ATTP的SEM照片

2.2

复合储热材料的性能

2.2.1

储热性能



相变温度、相变焓是相变储热材

料重要的性能参数,它可通过

DSC

分析获得。

SA



M-SA



ATTP



S-SA



ATTP



DSC

曲线如图



所示。由图



可以看出,

M-SA



ATTP



S-SA



ATTP

复合材料的相变温度峰值分别为

57.3℃



55.2℃

,相变潜热(热焓)分别为

68.71J







51.79J





,这表明采用



种方法制备的材料虽然具有类似的

结构,但其储热能力存在差异。熔融法制备的复合

材料具有较高的相变焓和与

SA

接近的相变温度,

其储热能力高于文献报道[

14

]。由图



还可以看

出,

M-SA



ATTP



S-SA



ATTP

两种复合材料的

相变温度较

SA

均有一定程度的降低,这进一步说



SA



ATTP

之间无任何化学键合,仅存在弱的

作用力

[3,18]



根据式

SA



wt%



=ΔH



SA



ATTP

)/

ΔH



SA

)可分别计算得到

SA

在两种复合材料中的百分

含量为

38.64%



29.13%

,式中

SA



wt%

)为硬脂

酸的百分含量,

ΔH



SA



ATTP

)为

S-SA



ATTP



M-SA



ATTP

复合储热材料的相变潜热,

ΔH



SA





SA

的相变潜热。该计算值和



种复合储热材料

制备过程中

ATTP



SA

的最佳配比相一致,这说



M-SA



ATTP



S-SA



ATTP

的储热能力和其

吸附的

SA

含量成正比,这与文献[

19



20

]研究结果

相一致。

图6

SA



M-SA



ATTP与S-SA



ATTP的DSC曲线

2.2.2

稳定性



性能优良的

PCMs

不仅应具有较

高储热能力,而且应具有良好的化学稳定性和储/放

热稳定性。

S-SA



ATTP



M-SA



ATTP

在经历

200

次热循环(完成一次熔融



凝固过程为



次热循

环)前后的

FTIR

谱如图



所示。由图



可以看出,



种样品在循环前后所有的吸收峰峰位完全一致,

并且没有新物质生成,这说明

S-SA



ATTP



M-

SA



ATTP

化学稳定良好,是一种有潜力的、化学性

质稳定的复合相变储热材料,具备建筑智能调温材

料所要求的结构和化学稳定性。

图7



复合材料热循环前后的FTIR谱







S-SA



ATTP



M-SA



ATTP



200

次热循环前后的

DSC

曲线。由图



可以看出

S-

SA



ATTP

在经历了

200

次热循环后相变温度和相

变潜热升高,其改变值分别为

2.9℃



8.41J





,而

M-SA



ATTP

复合

PCMs

在热循环前后相变温度

和相变潜热分别减小了

0.8℃



1.22J







S-SA



ATTP

相变温度和相变焓的改变对于储热材料来说

是剧烈的,因此采用浸渍法制备的复合

PCMs

其热

稳定性较热熔法制备的差。

图8



复合材料循环前后的DSC曲线

2.2.3

储热/放热性能



储/放热性能是相变储热

材料最重要的热物理性能指标。

S-SA



ATTP



M-SA



ATTP

的储/放曲线(时间



温度曲线)分别如

841

土木建筑与环境工程



第33卷





和图

10

所示。由图







)和图

10





)可以看出,

随着环境温度的上升,试样开始升温速率较快,随后

减缓并出现相变平台开始储热,当相变结束后又以

较快的升温速率升温至环境温度。图







)和图

10





)是图







)和图

10





)的逆过程,曲线中依然存在

明显的放热过程。因此两种复合材料均具有明显的

储热能力,可用于太阳能的储存和建筑节能等领域。

但对比图



和图

10

可以发现,

M-SA



ATTP

的储放

热曲线在循环前后几乎完全重合,这也印证

DSC



果———该材料具有较好的热稳定性。而

S-SA



ATTP

循环后样品的储热速率和放热速率明显加

快,这是由于循环后包覆(吸附)于

ATTP

表面的

SA



ATTP

作用力减弱,使得载体和

SA

分离并出

现聚集,载体

ATTP

棒晶衔接贯通,由于

ATTP



导热率较大而使复合

PCMs

的升温/降温速率加快。

图9



循环前后S

-SA



ATTP复合材料储

/放热曲线

图10



循环前后M

-SA



ATTP复合材料储

/放热曲线



结论



)以甘肃临泽产

ATTP

为吸附载体,以

SA



相变材料,采用热熔法和浸渍法分别制备了

M-SA



ATTP



S-SA



ATTP

复合

PCMs





种材料中

SA

的吸附率分别为

38.64%



29.13%

,其相变温度峰

值分别为

57.3℃



55.2℃

,相变潜热分别为

68.71J







51.79J









)制备方法对材料的结构和形貌不会产生影

响,



种材料具有相似的形貌和结构,

SA

均以物理

作用吸附于

ATTP

表面,且两者之间不存在任何化

学键合。





M-SA



ATTP



S-SA



ATTP

复合

PCMs

均具有较好的储热能力和化学稳定性,且储热能力



SA



ATTP

表面的吸附率成正比,但采用浸渍

法制备的复合材料的热稳定性较差。结合储热性

能、储热稳定性和化学稳定性的研究,证明熔融法更

适合于制备建筑智能调温和建筑节能材料。

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QING



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expandedgraphite

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FANGXIAO-MING



ZHANGZHENG-GUO.Study

onparaffin



expandedgraphitecompositephasechange

thermalenergystoragematerial







.EnergyConversion

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2006



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303-310.

(编辑







玲)

051

土木建筑与环境工程



第33卷

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(本文系一天一招首藏)