新型夹层式节能相变石膏板及制备工艺说明书设计者：黄志林，王丽琼，魏红姗，赵方圆，郑欣指导老师：朱建平 （河南理工大学材料科学和工程学院，河南 焦作 454000）作品内容介绍相变储能材料是在一定温度范围内，利用材料本身相变或结构改变，依据本身独特潜热性能，当环境温度升高或降低时，它能够向环境释放多出热量储存起来或释放储存热量起到保温作用一个热功效复合材料【1-2】。将相变材料添加到石膏板中能够制得新型相变储能石膏板。相变储能建筑石膏板兼备一般石膏板和相变材料二者特点，能够吸收和释放适量热能，对温度起到“削峰填谷”作用，降低空调使用时间，降低CO2排放量，含有显著节能减排作用。膨胀珍珠岩是由火山玻璃质熔岩经高温焙烧瞬时膨胀而成一个白色多孔颗粒状物质，其能够作为制备定形相变材料骨架载体。膨胀石墨是一个常见高导热型填料。掺入10%膨胀石墨后，复合相变材料热响应速度显著提升，即固-液相变进程得到显著提升，同时也在一定程度上提升了夹层相变储能石膏板蓄热速率，增强了其热交换速度；本设计采取膨胀珍珠岩吸附相变材料，制成复合相变储能颗粒，掺入膨胀石墨，填入石膏板层中，采取夹层式结构，底层为石膏层，顶层为导热增强石膏层，中间层采取圆柱体空腔设计，填入复合相变储能颗粒，制成一面强导热，一面低导热，中间含有高潜热储热性能复合层式石膏板。采取夹层式结构设计，关键含有以下多个优点：1)夹层式结构设计比简单层式设计而言，含有较高表面强度，所以更符合建筑石膏板强度要求。2）夹层式设计集中了复合相变储能材料，掺入导热石墨后含有很好导热储热性能，所以含有很好调温控温效果，我们发明新型复合相变储能石膏板和现有相变储能石膏板相比，关键有以下三方面创新：1）配制出了相变焓为137.9kJ/kg相变材芯，相变石膏板调温效果显著，可降低能耗30%。2）用10%膨胀石墨做外加剂，提升了相变石膏板调温速率。3）用导热增强短纤维复合石膏做顶层，既提升了导热速率，又增强了石膏板表面强度。联络人：黄志林 联络电话：EMALL:1.作品背景及意义世界范围内对于相变储能建筑材料研究最早是从上世纪三十年代开始，研究时间较早，而中国则是在八十年代才开始研究，研究时间相对较短。现在，中国外利用膨胀珍珠岩抽真空吸附相材料来制备复合相变储能材料试验做了很多研究工作，但在和建筑材料复合上，大多使用浸渗法，直接混正当，多孔基体材料吸附法，微胶囊法3-5，但较少采取夹层法，本试验采取新型夹层式结构设计兼有夹层法能集中相变材料储热密度高优点，能更有效进行储热换热过程，热交换效率大大提升，又在其基础上增强了石膏板强度，含有较大市场优势。2制备步骤图和具体制备过程2.1制备步骤图500煅烧一小时，去除表面可燃性杂质和少许水分DSC选择适宜百分比癸酸、棕榈酸复配低共熔“合金” 配制预处理 相变芯材膨胀珍珠岩 复合相变储能材料 和适宜百分比膨胀石墨混合 掺有碳纤维石膏浆体相变复合颗粒/石墨混合物 底层及中间有空腔石膏基 复合相变储能石膏板 2.2具体制备过程1） 制备复合相变储能材料DSC测试后，选择以癸酸：棕榈酸为85:15百分比复配形成脂肪酸低共熔物为相变芯材，并按摄影变材料和膨胀珍珠岩质量比为65:35制备复合相变材料。具体制备步骤为：首先将膨胀珍珠岩置于500马弗炉内烘烤2h，以去除其表面水分和有机杂质。预处理：配置一定浓度憎水溶液，对膨胀珍珠岩进行憎水处理，并烘干。其次称取65份固态相变材料放置于烧杯内，将烧杯置于60恒温水浴锅内使其完全融化成液态，加入35份处理后膨胀珍珠岩颗粒，搅拌均匀，然后再将烧杯置于真空度为0.05MPa，温度为40真空干燥箱中吸附4h，取出，自然冷却至室温，即得膨胀珍珠岩/复配脂肪酸复合相变材料（CA-PA/EP)。2）和膨胀石墨混合将膨胀石墨按不一样百分比和制作好复合相变材料在常温下搅拌均匀，充足混合。3）制作相变石膏板 将适量石膏浆浇入模具中，制出带有圆柱体空腔半干石膏体，再将混合好复合相变材料按不一样百分比加入，覆盖掺有碳纤维石膏浆体，刮平，等候成型，制备成能够调整环境温度相变储能石膏板，并测试制备石膏板调整环境温度能力和石膏板物理性能，确定出复合相变材料最好掺加百分比。4)产品照片 图1掺膨胀石墨复合相变颗粒 图2自制订位辅助纸板和复合相变储能石膏板图片 3.技术关键3.1癸酸/棕榈酸/膨胀珍珠岩复合相变储能颗粒和膨胀石墨混合百分比将掺有不一样百分比膨胀石墨复合材料填入石膏板，进行温控测试，试验发觉，掺加10%膨胀石墨，一定程度上能够提升夹层相变储能石膏板蓄热速率，增强其热交换速度。3.2 掺入顶层石膏碳纤维百分比石膏中掺入碳纤维会提升强度，但同时也会降低石膏黏度，所以掺入碳纤维要有一个适宜百分比，使其增加强度同时尽可能不降低黏度。3.3中间相变层结构设计顶层增强石膏层中间相变材料层底层一般石膏层复合相变材料材；料石膏基本设计依据两种材料采取不一样结构复合后格里菲斯强度比较，选择是夹层式结构，相变材料相间填入由石膏板组成圆柱体空腔中。具体结构示意图以下： 层式设计结构示意图 中间层结构示意图因为石膏凝结速度较快，所以在调制成浆体时需要加入适量缓凝剂，使得前后加入石膏浆凝结速率趋于一致。在添加中间层相变材料时，为了正确根据设计加入相变复合材料，我们制作了定位辅助纸板，来正确加料到中间石膏层圆柱体空腔中，从而制作出符合设计要求复合相变储能石膏板。4. 试验数据处理和说明4.1复合相变芯材扫描电镜分析下图3为膨胀珍珠岩基体和复合相变材料（CA-PA/EP）SEM照片，从（a）能够看出膨胀珍珠岩内部呈蜂窝状多孔结构，大部分孔径在几微米至几十微米之间。从（b）能够看出，吸附过脂肪酸相变材料后，膨胀珍珠岩凹坑内被相变材料所填充，二者有效复合形成了定型相变材料。 （a）膨胀珍珠岩SEM照片 （b）CA-PA/EP 图3膨胀珍珠岩和CA-PA/EPSEM照片图a显示膨胀珍珠岩内部存在大量孔结构，能够作为相变材料吸附载体使用。图b显示相变颗粒均匀吸附于珍珠岩孔径之中。4.2癸酸/棕榈酸复配百分比及复合相变芯材和膨胀珍珠岩配比确实定图4相变芯材DSC曲线 图5 吸附有相变芯材膨胀珍珠岩DSC曲线图4表明，自制相变芯材复配比为85:15时相变温度符合人体舒适温度要求，相变焓为137.9J/g，蓄热能力较强。 抽真空吸附试验证实复配脂肪酸和膨胀珍珠岩百分比为65:35时，吸附量达成饱和。根据以下公式计算复配脂肪酸/膨胀珍珠岩复合相变储能颗粒相变焓值：Q复合=Q基*65/100其中：Q复合-吸附饱和复合相变储能颗粒相变潜热值Q基-复配脂肪酸低共熔“合金”相变潜热值将Q基为137.9J/g代入公式得，理论复合相变储能颗粒相变潜热为89.64J/g，和实测值88.39 J/g相符合。4.3膨胀石墨对层式相变石膏板传热性能影响 (a) 板内表面温度 （b）装置内部温度图6 膨胀石墨对夹层相变石膏板传热性能影响上图6曲线为测试膨胀石墨对夹层相变石膏板传热性能影响。其中在复合相变材料夹层掺入占复合相变材料质量比10%膨胀石墨。可知，掺入膨胀石墨后，夹层相变板传热性能有所提升。升温结束时，掺膨胀石墨相变夹层板内表面温度和装置内部温度分别为43.4和38。相比于不掺时情况，要分别高出3和1.1。究其原因是，膨胀石墨属于高导热型材料，掺加后，能够提升复合相变材料热响应速度，使其发生固-液相变时间变短，所以在相同时间条件下，穿过夹层相变石膏板达成其内表面热量也会对应增大，其结果是，夹层板内表面和装置内部温度全部有所增大。由此说明，掺入一定膨胀石墨能够在一定程度上改善夹层相变石膏板热响应能力，使其吸-放热循环过程加速进行。4.4复合相变材料掺量对石膏板抗压强度影响表1不一样相变材料掺加量石膏强度相变材料掺加量（%）3d绝干抗折强度（MPa）3d绝干抗压强度(MPa)03.094.55102.784.69202.084.41301.584.09401.343.78伴随相变材料掺量增加，石膏板强度会逐步稍微下降，30%掺量时强度就下降12.4%，为了满足建筑材料基础力学性能要求，同时达成蓄热储能目标，相变蓄热复合材料添加量要有一个适宜百分比。4.5自制温控模型测试数据分析和节能效率下图7为试验室自制相变储能石膏板传热性能测试装置，利用图示装置能够测试石膏板传热性能。测试步骤为:开启热源，使热量以对流换热形式传输至石膏板一侧，然后热量再以导热形式传输至测试箱内，测试箱内部空间大小为303030cm3，其是由一面石膏板和5面EPS保温板密闭形成正方体空间结构。测试箱内部空间中心位置和石膏板内表面（远离热源面）安放有温度传感器，以此来统计整个测试过程中升降温温度曲线。图7自制相变石膏板控温测试模型 图8（a） 空白板和石膏板内表