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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(diǎn)也不同，分析了復(fù)合材料的均勻性，對(duì)定形相變材料中石虹的摻混比進(jìn)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(duì)其理化結(jié)構(gòu)及熱性能進(jìn)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(guān)鍵材料，為開發(fā)具有中國(guó)特色的環(huán)保采暖方式提供幫助。

關(guān)鍵詞定形相變材料貯能石蠟

1引言

利用相變材料的相轉(zhuǎn)變潛熱或蓄冷，溫度變化小、蓄能密度大，在太陽能利用、工業(yè)余熱和廢熱回收及建筑采暖和空調(diào)節(jié)能等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景[1]。傳統(tǒng)的固液相變貯能材料在實(shí)際應(yīng)用中，都需用容器封裝，增加了傳熱時(shí)相變材料與外部傳熱介質(zhì)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(fù)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(fā)生固液相變時(shí)不會(huì)流出，且整個(gè)復(fù)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(qiáng)度。該類材料有以下優(yōu)點(diǎn)：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(diào)領(lǐng)域及建筑材料領(lǐng)域有著較為廣闊的應(yīng)用前景。

inaba教授[2]較早研究了高密度聚乙烯和熔點(diǎn)54℃的石蠟體系混成的定形相變材料的熱物理性質(zhì)，石蠟摻混比例為74wt%。葉宏等人[3]也對(duì)石蠟和高密度聚乙組成的定形相變材料進(jìn)行了研究，他們用幾種高密度聚乙烯和熔點(diǎn)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(guó)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(xué)的肖敏等人[5]研究了石蠟和熱塑彈性體sbs組成的復(fù)合相變材料在加入石墨后熱傳導(dǎo)性能的提高，他們加入的石蠟含量在20wt%～80wt%范圍內(nèi)。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(duì)定形相變材料的均勻性分析不夠，對(duì)支撐材料類型及石蠟摻混比對(duì)定形相變材料材料性能的影響討論不夠充分。

本工作應(yīng)用不同熔點(diǎn)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(duì)材料的均勻性進(jìn)行了分析，并對(duì)相變材料的的摻混比進(jìn)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(duì)材料進(jìn)行一些結(jié)構(gòu)和熱性能方面的分析研究，其中應(yīng)用低壓聚乙烯和石蠟共混，石蠟所占比例最高達(dá)到90wt%。

2實(shí)驗(yàn)

2．1實(shí)驗(yàn)試劑

切片石蠟，熔點(diǎn)48～50℃；半精煉石蠟，熔點(diǎn)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(shí)驗(yàn)儀器

平板硫化儀、dsc2910差示掃描量熱儀、橡膠塑料實(shí)驗(yàn)機(jī)、sf-11型塑料粉碎機(jī)、電子掃描顯微鏡。

2．3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

首先用不同熔點(diǎn)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(duì)它們的性能進(jìn)行了研究分析。對(duì)定形相變材料進(jìn)行dsc測(cè)試，升溫速率5℃/min。對(duì)一些材料的微觀結(jié)構(gòu)用掃描電子顯微鏡進(jìn)行了研究分析。

3結(jié)果分析

3．1dsc分析結(jié)果

3.1.1不同支撐材料與48#切片石蠟的實(shí)驗(yàn)

用切片石蠟和不同類型低壓聚乙烯和聚丙烯進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，石蠟所占的質(zhì)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(cè)量值有差異，另一方面則是由于材料和工藝的適應(yīng)性不好。研制定形相變材料時(shí)，針對(duì)不同的材料，要相應(yīng)的調(diào)整制備工藝。

3．1．2不同熔點(diǎn)石蠟實(shí)驗(yàn)

我們對(duì)j0型hdpe與不同熔點(diǎn)石蠟混制備定形相變材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(gè)差別是由于原材料的潛熱不同造成的（表1）?？梢砸圆煌埸c(diǎn)的石蠟為原料制出一系列不同熔點(diǎn)范圍的定形相變材料，應(yīng)用到不同領(lǐng)域中去。

3.1.3材料均勻性

我們分別在兩個(gè)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(gè)不同部位分別取樣進(jìn)行dsc分析，得結(jié)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(nèi)，說明定形相變材料中石蠟分布較均勻。

3．1．4潛熱測(cè)定及石蠟摻混比臨界值討論

從60#石蠟dsc測(cè)試曲線（圖3）可以看出，60#石蠟有兩個(gè)相變峰，每個(gè)相變峰出現(xiàn)在40℃附近，較小，第二個(gè)相變峰出現(xiàn)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(gè)相變峰，聚乙烯熔融的峰出現(xiàn)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(fā)生相轉(zhuǎn)變由固態(tài)變成液態(tài)時(shí)，聚乙烯能支撐結(jié)構(gòu)使得材料形態(tài)不變。由dsc測(cè)得的相變熱和用石蠟所占百分比概算得的結(jié)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(shí)現(xiàn)支撐材料的對(duì)整體結(jié)構(gòu)的支撐作用，支撐材料在定形相變材料中所占比例應(yīng)有一個(gè)下限，即石蠟所占比例有一個(gè)上限，在制備定形相變材料時(shí)，石蠟比例達(dá)到90%時(shí)，定形相變材料有一些滲出現(xiàn)象，所以石蠟在定形相變材料所占質(zhì)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(dá)到80wt%時(shí)，定形相變材料性能較好，材料潛熱測(cè)量值達(dá)到144.4kj/kg。

3．2掃描電子顯微鏡分析結(jié)果

利用掃描電子顯微鏡對(duì)用低壓聚乙烯和60#半精炬石蠟（熔點(diǎn)60～62℃）制成的定形相變材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。對(duì)定形相變材料的脆斷面進(jìn)行了拍照觀察，然后用有機(jī)溶劑溶去石蠟對(duì)hdpe構(gòu)架進(jìn)行了觀察。

對(duì)定形相變材料斷面用有機(jī)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(wǎng)狀結(jié)

構(gòu)。在石蠟熔融時(shí)，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(fā)生變化。

4結(jié)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(diǎn)、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(zhì)量百分比可達(dá)80%，潛熱較高，均勻性較好。有望作為相變地板應(yīng)用到房屋建筑當(dāng)中，并且可能和其他材料混合作業(yè)一種新型的建筑材料。下一步需要繼續(xù)改進(jìn)材料制備的工藝，改善材料的力學(xué)及其他性能。

參考文獻(xiàn)

1張寅平，胡漢平，孔祥冬等，相變貯能-理論和應(yīng)用，合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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