建筑节能用复合相变蓄热材料制备及其性能研究

田 强，王桂珍

（山东省聊城市建设工程质量服务中心，山东聊城252000）

就国内外相关研究，孙婉纯等学者指出相变储热单元可减小室内温度波动，提升室内环境热舒适性，降低建筑能耗；陈超等学者提出了新型相变储能墙板，发现普通房间的北墙内表面利用PCM可有效提升室内热舒适性，可提升太阳辐射利用率，若选择合适PCM，供暖季节节能率高达17%以上；王慧儒等学者基于变分原理，推算出了组合式相变最佳融化温度表达式，探究了相变材料对于耗散热阻与蓄热性能的影响作用，为组合式相变材料选择、流动、结构参数设计奠定了理论依据[1]。在此基础上，本文针对以石墨改善熔融盐导热性能，基于熔融盐与石墨制备了建筑节能用复合相变蓄热材料。

1 建筑节能用复合相变蓄热材料制备

1.1 材料制备

以电子天平称取53.54g KNO3与45.63g NaNO3，放在干净容器内，并把容器放置于自动搅拌器[2]，通过1680r/min速度混合搅拌，然后加热至熔融状态，再冷却结晶，以获取相变蓄热材料NaNO3-KNO3。再称取1g膨胀石墨，在搅拌方式下与相变蓄热材料充分混合[3]，加热至600℃，完全熔融，然后冷却于室温状态，从而获取复合相变蓄热材料NaNO3-KNO3/1%EG。

1.2 测试方法

以扫描电子显微镜为性能测试设备。扫描电子显微镜测试基于不同倍率的相变蓄热材料与复合相变蓄热材料SEM图像[6]，通过图像可由微观结构对膨胀石墨在复合相变蓄热材料传热性能中的影响进行详细分析。

2 建筑节能用复合相变蓄热材料性能

以扫描电子显微镜放大相变蓄热材料NaNO3-KNO3，以获取不同SEM图像[7]，具体如图1所示。

图1 复合相变蓄热材料NaNO3-KNO3的SEM图像Fig.1 SEM images of NaNO3-KNO3 composite phase change heat storage material

由图1(a)可以看出，相变蓄热材料NaNO3-KNO3放大到1×103倍之后，其中不同粒子则表现为块状与饼状，彼此间几何尺寸差异显著，且局部粒子之间有所粘连[8]，而其他粒子之间则保持着间距。KNO3粒子形状主要为块状和饼状，相对分散；NaNO3粒子主要为大块状，彼此粘连。由图1(b)～(e)可以发现，在放大倍数逐步增加的趋势下，相变蓄热材料NaNO3-KNO3 SEM图像逐渐清晰，可以看到材料表面十分平滑整洁，且粘连了颗粒状聚集体；由图1(f)可以得知，材料结构比较松散，处于相对完整的平面，散布了网状结构的絮状物，即NaNO3，而KNO3明显分层，使得太过分散的NaNO3晶体很容易分散为更加微小的晶体聚集体，但是KNO3晶体由于结构稳定，难以分散，所以NaNO3晶体粘附在KNO3晶体表层。

通过扫描电子显微镜放大复合相变蓄热材料NaNO3-KNO3/1%EG，以获取不同SEM图像[9]，具体如图2所示。

图2 复合变相蓄热材料NaNO3-KNO3/1%EG的SEM图像Fig.2 SEM images of NaNO3-KNO3/1%EG composite phase heat storage material

由图2(a)可以发现，复合相变蓄热材料NaNO3-KNO3/1%EG与相变蓄热材料NaNO3-KNO3的粒子形状基本一致，但是图2(a)中可以发现微小石墨颗粒；由图2(a)～(d)可以看出，在放大倍数逐步增加形势下，复合相变蓄热材料NaNO3-KNO3/1%EG SEM的图像逐渐清晰，且表面光滑平整，可隐隐看到石墨颗粒分布状态，尤其是放大2×104倍的情况下，可清晰看到石墨颗粒均匀分布于复合相变蓄热材料NaNO3-KNO3/1%EG表层；由图2(e)可清晰看到，光滑粒子表层存在一些裂缝；由图2(f)可以得知，NaNO3晶体存在网状结构，而KNO3晶体存在明显分层，受石墨颗粒影响，复合相变蓄热材料NaNO3-KNO3/1%EG结构十分紧密，石墨颗粒和熔融盐可充分混合。

基于前文进行分析，石墨可强化相变蓄热材料NaNO3-KNO3导热性能，但是由于膨胀石墨与相变蓄热材料NaNO3-KNO3通过物理形式充分混合[10]，所以膨胀石墨对于材料NaNO3-KNO3相变温度所造成的影响非常小。

3 结论

本文针对建筑节能用材料，制备了复合相变蓄热材料NaNO3-KNO3/EG，并基于扫描电子显微镜测试了相变蓄热材料NaNO3-KNO3与复合相变蓄热材料NaNO3-KNO3/1%EG性能，并就SEM图像分析了材料微观结构。结果表明，基于石墨为添加剂，可显著提升复合相变蓄热材料传热效率；石墨可强化相变蓄热材料NaNO3-KNO3导热性能，但由于膨胀石墨与相变蓄热材料以物理形式充分混合，所以膨胀石墨对于材料相变温度所造成的影响非常小。