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
王
毅
1a
,
1b
,郑
翰
1a
,夏天东
1b
,冯辉霞
1a
,邱建辉
2
(
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
。
摘
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
了
2
种硬脂酸/凹凸棒石复合相变储热材料,采用
FTIR
、
XRD
、
DSC
和
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,
2
种材料具有相似
的形貌和结构,
SA
分别以
38.64%
和
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℃
和
55.2℃
,相变潜热分
别为
68.71J
/
g
和
51.79J
/
g
,均具有较好的储热能力和化学稳定性,且储热能力和
SA
在
ATTP
表
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:
A
文章编号:
1674-4764
(
2011
)
06-0145-06
EffectofFabricationTechnolo
gy
onthePerformanceandStructureof
StearicAcid
/
Atta
p
ul
g
iteCom
p
ositePhaseChan
g
eMaterials
WANGYi
1a
,
1b
,
ZHENGHan
1a
,
XIATian-don
g
1b
,
FENGHui-xia
1a
,
QIUJian-hui
2
(
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
p
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
2
种
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。
1
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
2
/
g
,吸蓝
量
45~65mg
/
g
。化学组成为(
w
(
B
)/
%
):
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
,
P
:
0.0585
,
Sr
:
0.0451
,
Ba
:
0.0424
,
Zr
:
0.0197
,
V
:
0.0093
,
Cr
:
0.0071
,
Zn
:
0.0067
,
La
:
0.0041
,
Ni
:
0.0032
,
Cu
:
0.0030
,
Y
:
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
1
所示的自制装置中,加热至
75℃
,缓慢滴
加熔融的
SA
或
SA
的
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
或
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
时
ATTP
与
SA
的最佳比例分别为
5∶3
和
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
2
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
2
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
和
S-SA
/
ATTP
的
FTIR
谱如图
3
所示。在
ATTP
特
征谱线中,
1030cm
-1
和
830cm
-1
附近的吸收峰分别
是由
VasSi-O-Si
和
VsSi-O-Si
所引起的。在
SA
特
征谱线中,
2800~3000cm
-1
处的强吸收峰是
-CH3
和
-CH2
的
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
键
非平面
δH-O-H
吸收峰。对比
ATTP
和
SA
的
FTIR
谱,在
M-SA
/
ATTP
和
S-SA
/
ATTP2
种复
合材料的谱线中同时出现了
SA
和
ATTP
的特征
峰,且谱线中并没有新峰出现,这说明
SA
与
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
中
Si-O-Si
的吸收
峰有所重叠加宽,这说明
ATTP
表面的
-OH
与
SA
之间存在分子间作用力,该作用力可能为
ATTP
表
面羟基和
SA
羟基之间的氢键作用。
2.1.2XRD
表征
ATTP
、
SA
、
M-SA
/
ATTP
和
图3
ATTP
、
SA
、
M-SA
/
ATTP和S-SA
/
ATTP的FTIR谱
S-SA
/
ATTP
的
XRD
谱如图
4
所示。由图
4
可以
看出,
ATTP
谱中
2θ
为
8.94°
、
19.83°
、
27.36°
和
35.02°
的衍射峰是凹凸棒石的特征峰,
20.80°
、
26.68°
和
50.2°
是
SiO2
的特征衍射峰,由此可以看
出
ATTP
原矿的主要成分为
ATTP
和
SiO2
。对照
ATTP
的
XRD
谱,在
M-SA
/
ATTP
和
S-SA
/
ATTP
的
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
坏
ATTP
的晶体结构。结合
FTIR
谱,
SA
与
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
和
S-SA
/
ATTP
的
SEM
照片如图
5
所示。由图
5
可以看出,
2
种复
合材料中
ATTP
的棒状结构依然存在,这印证了
XRD
和
FTIR
的分析结果———在复合过程中
ATTP
的晶体结构未被破坏。由图
5
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
表
面的
SA
与
ATTP
表面间仅存在物理作用。结合
FTIR
和
XRD
谱,证明采用热熔法和浸渍法制备的
M-SA
/
ATTP
和
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
和
S-SA
/
ATTP
的
DSC
曲线如图
6
所示。由图
6
可以看出,
M-SA
/
ATTP
和
S-SA
/
ATTP
复合材料的相变温度峰值分别为
57.3℃
和
55.2℃
,相变潜热(热焓)分别为
68.71J
/
g
和
51.79J
/
g
,这表明采用
2
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
6
还可以看
出,
M-SA
/
ATTP
和
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
明
SA
与
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%
和
29.13%
,式中
SA
(
wt%
)为硬脂
酸的百分含量,
ΔH
(
SA
/
ATTP
)为
S-SA
/
ATTP
或
M-SA
/
ATTP
复合储热材料的相变潜热,
ΔH
(
SA
)
为
SA
的相变潜热。该计算值和
2
种复合储热材料
制备过程中
ATTP
与
SA
的最佳配比相一致,这说
明
M-SA
/
ATTP
和
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
和
M-SA
/
ATTP
在经历
200
次热循环(完成一次熔融
-
凝固过程为
1
次热循
环)前后的
FTIR
谱如图
7
所示。由图
7
可以看出,
2
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
和
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
图
8
是
S-SA
/
ATTP
和
M-SA
/
ATTP
在
200
次热循环前后的
DSC
曲线。由图
8
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℃
和
8.41J
/
g
,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℃
和
1.22J
/
g
。
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
和
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
图
9
和图
10
所示。由图
9
(
a
)和图
10
(
a
)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
9
(
b
)和图
10
(
b
)是图
9
(
a
)和图
10
(
a
)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
9
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
结
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
和
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
的
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
3
结论
1
)以甘肃临泽产
ATTP
为吸附载体,以
SA
为
相变材料,采用热熔法和浸渍法分别制备了
M-SA
/
ATTP
和
S-SA
/
ATTP
复合
PCMs
,
2
种材料中
SA
的吸附率分别为
38.64%
和
29.13%
,其相变温度峰
值分别为
57.3℃
和
55.2℃
,相变潜热分别为
68.71J
/
g
和
51.79J
/
g
。
2
)制备方法对材料的结构和形貌不会产生影
响,
2
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。
3
)
M-SA
/
ATTP
和
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
和
SA
在
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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胡
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051
土木建筑与环境工程
第33卷
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