定形相變材料研制探析論文

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摘要本工作研制了一組定形相變材料，這們分別采用不同的支撐材料，有聚乙烯、聚丙烯、橡膠等，所用芯材石蠟熔點也不同，分析了復合材料的均勻性，對定形相變材料中石虹的摻混比進行了討論，并采用電子掃描顯微鏡、DSC差示掃描量熱儀等儀器對其理化結構及熱性能進行了分析。該類材料的研制成功有望成為電蓄熱地板采暖用的關鍵材料，為開發具有中國特色的環保采暖方式提供幫助。

關鍵詞定形相變材料貯能石蠟

1引言

利用相變材料的相轉變潛熱或蓄冷，溫度變化小、蓄能密度大，在太陽能利用、工業余熱和廢熱回收及建筑采暖和空調節能等領域有著廣闊應用前景[1]。傳統的固液相變貯能材料在實際應用中，都需用容器封裝，增加了傳熱時相變材料與外部傳熱介質間的熱阻，降低了傳熱效率，且增加了封裝成本。定形相變材料是由相變材料和高分子支撐和封裝材料組成的復合貯能材料，由于高分子囊材的微封裝和支撐作用，作為芯材的相變材料發生固液相變時不會流出，且整個復合材料即使在芯材熔化后也能保持原來的形狀不變并且有一定的強度。該類材料有以下優點：無需封裝，不泄漏，從而減小了封裝成本和難度，并減小了相變材料和傳熱流體間熱阻。該類材料在建筑暖通空調領域及建筑材料領域有著較為廣闊的應用前景。

Inaba教授[2]較早研究了高密度聚乙烯和熔點54℃的石蠟體系混成的定形相變材料的熱物理性質，石蠟摻混比例為74wt%。葉宏等人[3]也對石蠟和高密度聚乙組成的定形相變材料進行了研究，他們用幾種高密度聚乙烯和熔點在58℃左右的精煉和半精煉石蠟作為原料，石蠟在定形相變材料中所占比例為75wt%。法國的XavierPy等人[4]制備了石蠟-膨脹石墨定形相變材料，并研究了體系的熱物理性能，石蠟摻混比例為65wt%～95wt%。華南理工大學的肖敏等人[5]研究了石蠟和熱塑彈性體SBS組成的復合相變材料在加入石墨后熱傳導性能的提高，他們加入的石蠟含量在20wt%～80wt%范圍內。定形相變材料研制中多以高密度聚乙烯、SBS或石墨為支撐材料，石蠟為相變材料，對定形相變材料的均勻性分析不夠，對支撐材料類型及石蠟摻混比對定形相變材料材料性能的影響討論不夠充分。

本工作應用不同熔點的石蠟和一些高壓聚乙烯、低壓聚乙烯、聚丙烯及橡膠作原料，研制出一些定形相變材料。對材料的均勻性進行了分析，并對相變材料的的摻混比進行了討論。用DSC差示掃描量熱儀和電子掃描顯微鏡等儀器對材料進行一些結構和熱性能方面的分析研究，其中應用低壓聚乙烯和石蠟共混，石蠟所占比例最高達到90wt%。

2實驗

2．1實驗試劑

切片石蠟，熔點48～50℃；半精煉石蠟，熔點56～58℃，58～60℃，60～62℃；精煉石蠟，58～60℃；低壓聚乙烯，J-0；高壓聚乙烯1L2A；高壓聚乙烯，1F7B。

2．2實驗儀器

平板硫化儀、DSC2910差示掃描量熱儀、橡膠塑料實驗機、SF-11型塑料粉碎機、電子掃描顯微鏡。

2．3實驗內容

首先用不同熔點的石蠟和低壓聚乙烯共混形成定形相變材料，然后采用不同種類的高壓聚乙烯、低壓聚乙烯、聚丙烯以及SEBS作為支撐材料制備出不同的定形相變材料，對它們的性能進行了研究分析。對定形相變材料進行DSC測試，升溫速率5℃/min。對一些材料的微觀結構用掃描電子顯微鏡進行了研究分析。

3結果分析

3．1DSC分析結果

3.1.1不同支撐材料與48#切片石蠟的實驗

用切片石蠟和不同類型低壓聚乙烯和聚丙烯進行了實驗，石蠟所占的質量百分比相同，可以從圖1看出有些HDPE組成的材料潛熱值偏低，一方面由于材料本身造成的，材料各處潛熱測量值有差異，另一方面則是由于材料和工藝的適應性不好。研制定形相變材料時，針對不同的材料，要相應的調整制備工藝。

圖1不同支撐材料與48#石蠟組成材料的潛熱測量值

1-HDPE5000S；2-HDPE5200B；3-HDPE2200J；4-HDPEJ0；5-PPS1003

3．1．2不同熔點石蠟實驗

我們對J0型HDPE與不同熔點石蠟混制備定形相變材料進行了實驗，可以看出相同比例的精煉、半精煉石蠟組成的定形相變材料潛熱值判別不大，而這個差別是由于原材料的潛熱不同造成的（表1）。可以以不同熔點的石蠟為原料制出一系列不同熔點范圍的定形相變材料，應用到不同領域中去。

不同熔點石蠟組成材料的潛熱值表1

石蠟類型半精煉56#半精煉58#精煉58#半精煉60#

相變潛熱值（kJ/kg）103.197.37101.5111.2

3.1.3材料均勻性

我們分別在兩個定形相變材料試樣（組成材料一樣，石蠟所占百分比不同）的4個不同部位分別取樣進行DSC分析，得結果見圖2，從圖中我們可以看出同一試樣不同部位相變潛熱值差別不大，差別在10%以內，說明定形相變材料中石蠟分布較均勻。

3．1．4潛熱測定及石蠟摻混比臨界值討論

圖2試樣不同部位潛熱值測試結果

圖360#石蠟DSC測試曲線

圖4定形相變材料（石蠟占70wt%）DSC測試曲線

圖5定形相變材料（石蠟占90%）DSC曲線

圖6不同比例石蠟的定形相變材料的潛熱測試值

從60#石蠟DSC測試曲線（圖3）可以看出，60#石蠟有兩個相變峰，每個相變峰出現在40℃附近，較小，第二個相變峰出現在60℃，較大。從定形相變材料的DSC曲線（圖4，5）中同樣可以看到這兩個相變峰，聚乙烯熔融的峰出現在120℃附近。可以看到兩者的溫度差約為60℃，能夠保證在定形相變材料中石蠟發生相轉變由固態變成液態時，聚乙烯能支撐結構使得材料形態不變。由DSC測得的相變熱和用石蠟所占百分比概算得的結果差別不大。圖6為含不同比例的石蠟的定形相變材料的潛熱，石蠟含量在70%～90%之間，材料的相變熱在130～175kJ/kg，可以看出潛熱值隨石蠟所占比例增加近似線性增加。為了實現支撐材料的對整體結構的支撐作用，支撐材料在定形相變材料中所占比例應有一個下限，即石蠟所占比例有一個上限，在制備定形相變材料時，石蠟比例達到90%時，定形相變材料有一些滲出現象，所以石蠟在定形相變材料所占質量百分比的不宜大于90%。

3．1．5其他

用HDPE和60#石蠟混和，石蠟摻混比達到80wt%時，定形相變材料性能較好，材料潛熱測量值達到144.4kJ/kg。

3．2掃描電子顯微鏡分析結果

利用掃描電子顯微鏡對用低壓聚乙烯和60#半精炬石蠟（熔點60～62℃）制成的定形相變材料進行了結構分析。對定形相變材料的脆斷面進行了拍照觀察，然后用有機溶劑溶去石蠟對HDPE構架進行了觀察。

圖7定形相變材料掃描電鏡結果（1500倍）

圖8定形相變材料掃描電鏡結果（3000倍）

對定形相變材料斷面用有機溶劑浸泡后溶去石蠟后的表面分析，得到圖7和圖8的掃描電鏡照片。淺色部分為聚乙烯的形成的骨架，深色的部分為石蠟被浸泡溶去后形成的凹陷。可以看到，定形相變材料分布較均勻，聚乙烯形成了空間的網狀結

構。在石蠟熔融時，聚乙烯能夠起到的支撐和封裝作用，使材料的整體武裝不發生變化。

4結論

可用不同類型的高壓聚乙烯、低壓聚乙烯、聚丙烯等一系列高分子材料作為支撐和微封裝材料，不同熔點、不同類型的石蠟作為相變材料，制備系列定形相變材料，其中石蠟質量百分比可達80%，潛熱較高，均勻性較好。有望作為相變地板應用到房屋建筑當中，并且可能和其他材料混合作業一種新型的建筑材料。下一步需要繼續改進材料制備的工藝，改善材料的力學及其他性能。

參考文獻

1張寅平，胡漢平，孔祥冬等，相變貯能-理論和應用，合肥：中國科學技術大學出版社，1996

2HInaba,PT.HeatandMassTransfer,1997,32(4):307--312

3YeHong,GeXinshi.SolarEnergyMaterials&SolarCells,2000,64(1):37～44

4XavierPy,PegisOlivs,SylvainMauran.HeatandMasstransfer,2001,44(14):2727～2737

5XiaoMin,FengBo,GongKecheng.Conversion&Management,2002,43(1):103～108