非金属矿_月桂酸复合相变材料制备及性能研究.pdf

31业科技20233年(总第153期）攀枝花科技与信息第48 卷第2 期非金属矿/月桂酸复合相变材料制备及性能研究徐众1,2 3,吴恩辉1.2.3,侯静1,2.3,李军2.3,尔火啊来11.攀枝花学院钒钛学院，2.四川省太阳能利用技术集成工程实验室，3.太阳能技术集成及应用推广四川省高校重点实验室摘要以月桂酸（LA）为相变材料，采用凹凸棒土（ATP）、海泡石（SEP）、氮化硼（BN）、膨胀蛭石（EV）、碳化硼（B.C）、粉煤灰（FA）和膨胀珍珠岩（EP）为支撑材料，采用熔融共混法制备7种不同复合相变材料。研究了添加不同材料对LA的密度、吸附量、形状稳定性和导热性能的影响。结果表明，复合材料的密度随支撑材料增加而增大，吸附量减小，吸附LA的质量分数在18%41%范围；材料的形状稳定性随蓄热时间和温度的增加而减弱，BN/LA稳定性最好，泄漏率低于0.52%；蓄热时间与泄漏率之间存在很好的线性相关性，相关系数R在0.9 2 9 0.9 9 2 范围；光-热转换对BN/LA的形状稳定性影响最小，泄漏率低于0.0 1%；添加非金属材料后热导率提高147.7%603.7%。虽然对LA的吸附能力稍弱，但材料的形状稳定性和导热性能均得到有效提升，可作为建筑保温材料的添加剂关键词非金属材料；成型复合相变材料；泄漏率；热导率有机相变材料是一种良好的低温热能储存材料，但其在储热过程中容易出现泄漏问题，需进行封装处理。目前使用最多的封装材料为金属有机框架、多壁碳纳米管、膨胀石墨和石墨烯等，这类材料虽然导热性能和封装性能较好，但价格昂贵，因此具有部分吸附能力的低价非金属矿材料成为重要研究对象。张托弟等1 介绍了蒙脱石、膨胀蛭石（E V）、高岭石和凹凸棒土（ATP）等黏土矿物基定形复合相变材料储热性能，得出黏土矿吸附能力有限，需要进一步改性。通过焙烧、碱浸、盐酸处理等改性后的ATP2和海泡石（SE P）3-4 对有机相变材料吸附效果很好。改性氮化硼（BN）、膨胀蛭石（EV）、粉煤灰（FA）、膨胀珍珠岩（EP）和二氧化硅都可以作为定型材料5-16 ,均能有效抑制相变材料的泄漏。但这些材料大多需要进行活化处理,增加比表面积,提高吸附能力,因此能耗较大。本试验探索直接使用未处理ATP、SEP、BN、E V、碳化硼（B.C）、FA 和EP吸附月桂酸（LA），分析7 种非金属材料对LA吸附量、形状稳定性和热导率的影响，为后续制备相变储能砂浆及高速路降温除雪路沥青路面材料提供参考依据。1试验部分1.1原料及仪器设备凹凸棒土（ATP）,粒32PZNZHIHUASCI-TECH&INNFORMATION径2 3m，利源环保材料公司；海泡石（SEP），纤维状，石家庄马跃建材有限公司；氮化硼（BN）,粒径5m,浙江亚美纳米科技有限公司；膨胀蛭石（EV），粒径12 5 19 0 m，灵寿县川石矿产品加工厂；碳化硼（B,C），微米级，浙江亚美纳米科技有限公司；粉煤灰（FA），一级粉煤灰，灵寿县玉梅矿产品加工厂;膨胀珍珠岩（EP），颗粒状,粒径12 5m，信阳市平桥区富鑫环保保温建材厂；月桂酸（LA），优级品，熔点44，广州特韵贸易有限公司化工有限公司。恒温水浴锅,DK-D型,金坛区西城新瑞仪器厂；电热鼓风干燥箱，10 1-2 EBS型，北京市永光明医疗仪器有限公司；台式粉末压片机,FYD-30型，天津市思创精实科技发展有限公司；恒温加热台，JF-956型，东莞市长安金峰电子工具厂；长弧氙灯，GXZ500型，上海季光特种照明电器厂；红外热成像仪，ST9450型，东莞万创电子制品有限公司；数字温度测试仪，MIK-200D型，杭州米科技传感技术有限公司；多功能导热系数测试仪，DRE-11型，湘潭湘仪仪器有限公司。1.2试验方案不同非金属材料/LA定型复合相变材料制备参照LA质量分数为50%的LA/ATP制备：称取5.0 gLA置于烧杯中，在50 水浴加热，完全熔化，称取5gATP加人,继续搅拌10 min,室温冷却，将材料转移至压片机模具中压制成型，压力4MPa，保压时间3min。同法制备其他成型复合相变材料。试验过程中发现成型模具中仅能填充5g左右的EP/LA复合材料，因此取5gEP/LA成型材料。1.3性能测试测量成型复合相变材料质量和几何尺寸（直径和高度），计算材料密度p,见式(1)、式(2)p=m/V(1)V=T (d/2)h(2)式中：m为成型材料质量平均值，g;为圆周率；d为成型材料直径平均值,cm;h为成型材料高度平均值,cm;p为密度，g/cm。材料泄漏率测试：称量成型复合相变材料初始质量mo，将材料放人50 烘箱，加热60min,取出冷却,称量质量m,，根据文献17 计算泄漏率m，m 计算式,见式(3)。n=(mo-m,)/mo100%(3)式中：mo为试漏前质量，g;m为试漏后质量，g;n为材料泄漏率，%。蓄热时间对形状稳定性影响测试：是影响材料形状稳定性的重要因素。将最佳配比成型复合材料置于50 烘箱中蓄热12 h，每隔1h取出称重，根据式(3)计算m。蓄热温度对形状稳定性影响测试：将最佳配比成型复合材料分别置于40、50、60和7 0 恒温加热台上加热3h，每隔1h测试质量，根据式(3)计算。光-热转换对形状稳定性影响测试：采用氙灯照射2 个成型复合相变材料，氙灯距离相变材料30 cm，成型材料背面放置温度计，当温度达到7 5以上时，关闭氙灯，当温度降到室温以下，完成1次光-热转换，连续进行4次光热转换，根据式(3)计算。材料热导率测试：采用RDE导热仪测试最佳配比成型复合材料热导率，每种材料测试7 次，求平均值。具体测试参数设置：输出功率0.2 5W，测试时间16 0 s，采样间隔1000ms，滚动周期2 4h，探头电阻16.32，精密电阻15Q，初始温度2 0，探头半径7.5mm,采样数据10 0 个332023年(总第153期）攀枝花科技与信息第48 卷第2 期2结果与讨论2.1非金属材料添加量对复合材料p和m的影响不同成型材料的p和m测试结果，见图1。ATP/LAATP/LASEP/LASEP/LA2.aBN/LA100BN/LAEV/LAEVILA1.8B,C/LA80B,C/LA%率型FA/LA60FA/LA1.5EP/LA-X-EP/LA1.240XX0.9200.60020406080100020406080100质量分数/%质量分数/%a-成型材料密度变化；b-成型材料泄漏率变化图1材料密度和泄漏率随非金属材料添加量变化从图1a可看出，材料p随材料添加量增加而增大,因为非金属材料p均比LA大，添加EV对材料密度影响最大，添加EP影响最小。ATP/LA、SE P/LA、BN/LA、E V/LA、B,C/LA、FA/LA 和EP/LA的密度分别在0.99 1.79g/cm、1.0 6 1.8 4g/c m、0.9 8 1.69g/cm、1.0 6 1.9 7 g/c m、1.0 7 1.6 8 g/cm、1.0 1 1.6 9 g/c m、0.8 8 1.2 3g/c m范围。从图1b可看出，材料m随非金属材料添加量增加而减小，因为非金属材料添加量增加,能够吸附LA的量增加，m减小,EP和BN对LA的吸附效果最好,B.C和FA效果最差。为确定最佳配比，以试漏后滤纸上无明显泄漏痕迹为标准，制备3个最佳配比样品进行试漏，验证试验可重复性，样品均无泄漏痕迹，则确定为最佳配比，测试结果，见图2。从图2 可看出，所有样品均无明显泄漏痕迹，因此确定非金属材料添加的最佳质量分数,见表1。由表1可知,EP对LA的吸附aCe9a-ATP/LA;b-SEP/LA;c-BN/LA;d-EV/LA;e-B4C/LA;f-FA/LA;g-EP/LA图2最佳配比成型复合相变材料重复性试验能力最强,FA吸附能力最差。ATP、SE P、EV、B.C和FA添加的质量分数均超过8 0%，较文献 3-5,7-16 添加量都高，因为文献使用的改性材料比表面积更大，吸附能力更好。BN34PZNZHIHUASCI-TECH&INFORMATION和EP添加的质量分数分别为6 9%和59%，在7 种非金属材料中吸附能力较好。2.2蓄热时间对材料形状稳定性影响蓄热时间对成型材料影响，见图3。从图3可看出，复合材料均随蓄热时间的增加而增大，因为蓄热时间增加,LA长时间处于液态，流动性更好，更容易脱离非金属材料的吸附而泄漏，影响材料形状稳定性。蓄热时间对7 种复合相变材料的形状稳定影响从大到小依次为ATP/LA、FA/LA、E P/LA、E V/LA、B,C/LA、SE P/LA 和BN/LA,蓄热12 h后的m分别低于3.8 3%、2.0 3%、1.6 4%、1.52%、1.36%、0.6 4%和0.52%。长时间蓄热，ATP/LA的形状稳定性最差,BN/LA形状稳定性最好。采用线性拟合分析蓄热时间和材料两者之间的关系，拟合结果见式（4）式（10）。从式（4）式（10）可看出，拟合决定系数均在0.9 2 以上，接近1,说明m和蓄热时间存在一定线性相关性，可以根据式（4）式(10)计算成型复合相变材料在不同蓄热时间下的m。ysEP/LA=0.299+0.031x(R=0.929)(4)yATP/LA=0.634+0.285x(R=0.981)(5)YBV/LA=0.016+0.043x(R=0.992)(6)YevV/LA=0.319+0.113x(R=0.958)(7)YBc/LA=0.059+0.115x(R=0.987)(8)YFA/LA=0.015+0.179x(R=0.943)(9)YEP/LA=0.194+0.128x(R=0.989)(10)表1最佳配比复合相变材料性能非金属材料m非金属/%m改性非金属/%m/%7平均%P平均/(g/cm)ATP8450 75 3 1.02、1.10、1.2 81.141.65SEP8430 4,40 5 0.18,0.20,0.190.191.68BN691 580.06,0.07,0.080.071.63EV8230 50 7-90.38、0.11、0.550.351.91B.C890.08,0.12,0.130.111.68FA9250 80.7 10-14 0.14,0.91、0.2 20.421.69EP5925 70 15-16 0.15,0.21,0.180.181.12-ATP/LA5-EV/LA1.8+SEP/LAB,C/LA-BN/LA4-FA/LA1.5EP/LA%率型%率飛1.230.920.60.30.002468101224681012蓄热时间/h蓄热时间/h图3不同成型复合相变材料蓄热12 h泄漏率变化情况352023年(总第153期）攀枝花科技与信息第48 卷第2 期2.3蓄热温度对材料形状稳定影响蓄热温度对材料影响，见图4。从图4可看出，材料在蓄热1h、2 h 和3h时，m均随温度的增加而增大，蓄热相同时间，温度越高,LA变为液态的时间越短，越容易泄漏。蓄热温度对ATP/LA的m影响最大,对BN/LA的m影响最小，不同蓄热温度下BN/LA形状稳定性最好。ATP/LA、SE P/LA、BN/LA、E V/LA、B,C/LA、FA/LA 和EP/LA在不同温度下蓄热不同时间，分别为0.36%1.33%、0.04%0.30%、0.0 1%0.0 6%、0.0 4%0.48%、0.0 3%0.41%、0.0 7%0.45%和0.02%0.39%,除ATP/LA的超过1%以外，其他6 种成型材料的均低于0.50%，说明添加未改性非金属材料的复合相变材料在不同温度下蓄热，能够有效提升材料的形状稳定性。1.5日40501.2160%率忆700.90.60.30.0-V7/VC山B为更好地分析温度对复合相变材料的影响，计算蓄热3h，不同温度下的与40下的m差值,结果见表2。由表2 可知，随蓄热温度增加泄漏率差值变大，差值最大和最小的分别是ATP/LA和BN/LA。2.4光-热转换对材料形状稳定性影响光-热转换对材料m的影响,见图5。从图5可看出，2 个平行样品之间的差值均低于0.6 5%,ATP/LA的最大,BN/LA的最小,说明光-热转换对ATP/LA材料的形状稳定性影响最大，对BN/LA影响最小。ATP/LA、SE P/LA、BN/LA、E V/LA、B.C/LA、FA/LA和EP/LA的平均分别为2.58%、0.17%、0.0 7%、0.9 8%、0.47%、0.2 3%和0.41%,光-热转换对材料形状稳定性影响规律与蓄热时间对稳定性影响规律基本一致。0.440500.360700.20.10.0图4蓄热温度对复合相变材料泄漏率影响表2不同温度蓄热3h后的泄漏率差值/%差值ATP/LASEP/LABN/LAEV/LAB,C/LAFA/LAEP/LAm50-m40 0.080.030.010.070.040.010.07M60-m40 0.540.100.030.270.230.040.34M70-M40 0.550.200.040.390.290.260.3536PZNZHIHUASCI-TECH&IFORMATION3.0 0.37%1号样V2号样2.52.0%率飞1.50.65%1.00.40%0.28%0.30%0.50.06%0.01%0.0V7/N8V7/图5光-热转换对不同成型材料泄漏率影响2.5非金属材料添加对材料导热性能影响成型复合相变材料的热导率测试结果，见图6。从图6 可看出，添加ATP、SE P、BN、EV、BC、FA 和EP后，材料热导率分别提高345.5%、36 6.5%、6 0 3.7%、3324.6%、338.6%、147.7 5和32 4.6%,BN/LA的热导率最大FA/LA的热导率最小。说明添加不同非金属材料均能有效提升材料热导率，这是因为添加非金属材料后，材料之间形成了良好的导热网，材料热阻减小，热导率随之提升。3结论1.成型复合相变材料的密度随非金属材料添加量增加而增大，材料泄漏率则相反，7种非金属材料ATP、SE P、BN、E V、B.C、FA、EP最佳添加质量分数分别为8 4%、8 4%、69%、8 2%、8 9%、9 2%和59%，添加量均比文献改性非金属材料高，说明未改性非金属材料吸附能力有限；材料泄漏率分别为1.14%、0.19%、0.0 7%、0.35%、0.11%、0.42%和0.18%,EP吸附能力最好，BN泄漏率最小。3.00.37%1号样V2号样2.5%率型2.01.50.65%1.00.40%0.28%0.30%0.50.06%0.01%0.0V7/dIVV7/0图6添加不同非金属材料对月桂酸热导率影响2.成型复合相变材料的形状稳定性均随蓄热时间和温度的增加而降低；蓄热12 h，材料泄漏率在0.52%3.8 3%,BN/LA稳定性最好，FA/LA最差；在不同温度下蓄热13h，材料的泄漏率在0.0 1%1.33%范围，稳定性最好和最差依然是BN/LA和FA/LA。泄漏率与蓄热时间的线性拟合结果显示，两者之间相关系数R在0.9 2 9 0.9 9 2 范围;4次光-热转换后材料的泄漏率在0.0 7%2.58%范围，BN/LA稳定性最好，ATP/LA最差。3.添加ATP、SE P、BN、E V、B*C、FA、EP7种非金属材料之后，热导率分别提升345.5%、36 6.5%、6 0 3.7%、3324.6%、338.6%、147.7 5和32 4.6%，说明添加非金属材料能有效提升复合材料的热导率，但材料吸附能力相对较弱，需进行相应的低能耗改性,提升非金属材料的比表面积,增强吸附力。（参考文献略）