黄志林节能减排说明指导书.doc

新型夹层式节能相变石膏板及制备工艺阐明书
设计者：黄志林，王丽琼，魏红姗，赵方圆，郑欣
指引教师：朱建平
（河南理工大学材料科学与工程学院，河南 焦作 454000）

作品内容简介
相变储能材料是在一定温度范畴内，运用材料自身相变或构造变化，依照自身独特潜热性能，当环境温度升高或减少时，它可以向环境释放多余热量储存起来或释放储存热量起到保温作用一种热功能复合材料【1-2】。将相变材料添加到石膏板中可以制得新型相变储能石膏板。相变储能建筑石膏板兼备普通石膏板和相变材料两者特点，可以吸取和释放适量热能，对温度起到“削峰填谷”作用，减少空调使用时间，减少CO2排放量，具备明显节能减排作用。
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种白色多孔颗粒状物质，其可以作为制备定形相变材料骨架载体。膨胀石墨是一种惯用高导热型填料。掺入10%膨胀石墨后，复合相变材料热响应速度明显提高，即固-液相变进程得到明显提高，同步也在一定限度上提高了夹层相变储能石膏板蓄热速率，增强了其热互换速度；
本设计采用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，采用夹层式构造，底层为石膏层，，顶层为导热增强石膏层，中间层采用圆柱体空腔设计，填入复合相变储能颗粒，制成一面强导热，一面低导热，中间具备高潜热储热性能复合层式石膏板。采用夹层式构造设计，重要具备如下几种长处：
1)夹层式构造设计比简朴层式设计而言，具备较高表面强度，因而更符合建筑石膏板强度规定。
2）夹层式设计集中了复合相变储能材料，掺入导热石墨后具备较好导热储热性能，因而具备较好调温控温效果，
咱们创造新型复合相变储能石膏板与既有相变储能石膏板相比，重要有如下三方面创新：
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明显，可减少能耗30%。
2）用10%膨胀石墨做外加剂，提高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，既提高了导热速率，又增强了石膏板表面强度。
联系人：黄志林 联系电话：　EMALL:

1.作品背景及意义
世界范畴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，而国内则是在八十年代才开始研究，研究时间相对较短。当前，国内外运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实验做了许多研究工作，但在与建筑材料复合上，大多使用浸渗法，直接混合法，多孔基体材料吸附法，微胶囊法[3-5]，但较少采用夹层法，本实验采用新型夹层式构造设计兼有夹层法能集中相变材料储热密度高长处，能更有效进行储热换热过程，热互换效率大大提高，又在其基本上增强了石膏板强度，具备较大市场优势。
2制备流程图和详细制备过程
2.1制备流程图
500℃煅烧一小时，去除表面可燃性杂质以及少量水分
DSC选用适当比例癸酸、棕榈酸复配低共熔“合金”

配制
预解决

相变芯材
膨胀珍珠岩

复合相变储能材料

与适当比例膨胀石墨混合

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详细制备过程
1） 制备复合相变储能材料
DSC测试后，选取以癸酸：棕榈酸为85:15比例复配形成脂肪酸低共熔物为相变芯材，并按照相变材料与膨胀珍珠岩质量比为65:35制备复合相变材料。详细制备环节为：一方面将膨胀珍珠岩置于500℃马弗炉内烘烤2h，以去除其表面水分和有机杂质。预解决：配备一定浓度憎水溶液，对膨胀珍珠岩进行憎水解决，并烘干。另一方面称取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份解决后膨胀珍珠岩颗粒，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）与膨胀石墨混合
将膨胀石墨按不同比例与制作好复合相变材料在常温下搅拌均匀，充分混合。
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同比例加入，覆盖掺有碳纤维石膏浆体，刮平，等待成型，制备成可以调节环境温度相变储能石膏板，并测试制备石膏板调节环境温度能力和石膏板物理性能，拟定出复合相变材料最佳掺加比例。
4)产品照片
图1掺膨胀石墨复合相变颗粒 图2自制定位辅助纸板与复合相变储能石膏板图片
3.技术核心
3.1癸酸/棕榈酸/膨胀珍珠岩复合相变储能颗粒与膨胀石墨混合比例
将掺有不同比例膨胀石墨复合材料填入石膏板，进行温控测试，实验发现，掺加10%膨胀石墨，一定限度上可以提高夹层相变储能石膏板蓄热速率，增强其热互换速度。
3.2 掺入顶层石膏碳纤维比例
石膏中掺入碳纤维会提高强度，但同步也会减少石膏黏度，因此掺入碳纤维要有一种适当比例，使其增长强度同步尽量不减少黏度。
3.3中间相变层构造设计
顶层增强石膏层
中间相变材料层
底层普通石膏层
复合相变材料材；料
石膏基
本设计依照两种材料采用不同构造复合后格里菲斯强度比较，选用是夹层式构造，相变材料相间填入由石膏板构成圆柱体空腔中。详细构造示意图如下：

层式设计构造示意图 中间层构造示意图
由于石膏凝结速度较快，因此在调制成浆体时需要加入适量缓凝剂，使得先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，为了精准按照设计加入相变复合材料，咱们制作了定位辅助纸板，来精准加料到中间石膏层圆柱体空腔中，从而制作出符合设计规定复合相变储能石膏板。
4. 实验数据解决与阐明
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）可以看出膨胀珍珠岩内部呈蜂窝状多孔构造，大某些孔径在几微米至几十微米之间。从（b）可以看出，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，两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构造，可以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/棕榈酸复配比例及复合相变芯材与膨胀珍珠岩配比拟定

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表白，自制相变芯材复配比为85:15时相变温度符合人体舒服温度规定，相变焓为137.9J/g，蓄热能力较强。
抽真空吸附实验证明复配脂肪酸和膨胀珍珠岩比例为65:35时，吸附量达到饱和。按照如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，与实测值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高。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℃。相比于不掺时状况，要分别高出3和1.1℃。究其因素是，膨胀石墨属于高导热型材料，掺加后，可以提高复合相变材料热响应速度，使其发生固-液相变时间变短，因而在相似时间条件下，穿过夹层相变石膏板达到其内表面热量也会相应增大，其成果是，夹层板内表面以及装置内部温度均有所增大。由此阐明，掺入一定膨胀石墨可以在一定限度上改进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不同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)
0
3.09
4.55
10
2.78
4.69
20
2.08
4.41
30
1.58
4.09
40
1.34
3.78

随着相变材料掺量增长，石膏板强度会逐渐稍微下降，30%掺量时强度就下降12.4%，为了满足建筑材料基本力学性能规定，同步达到蓄热储能目，相变蓄热复合材料添加量要有一种适当比例。
4.5自制温控模型测试数据分析与节能效率
下图7为实验室自制相变储能石膏板传热性能测试装置，运用图示装置可以测试石膏板传热性能。测试环节为:启动热源，使热量以对流换热形式传递至石膏板一侧，然后热量再以导热形式传递至测试箱内，测试箱内部空间大小为30×30×30cm3，其是由一面石膏板和5面EPS保温板密闭形成正方体空间构造。测试箱内部空间中心位置以及石膏板内表面（远离热源面）安放有温度传感器，以此来记录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） 空白板与石膏板内表面温度对比 图8（b）空白板与石膏板装置空间温度对比
运用自制控温测试装置测出掺入相变材料石膏板对封闭空间和石膏板内表面温度影响。与普通石膏板相比，当封闭空间温度高时，相变石膏板吸取热量，使温度减少其中空间内最多可使温度减少2.70C，而石膏板内表面温度可以减少4.00C；当封闭空间温度低时，相变石膏板可使空间内温度升高，其中最多可升高1.80C，而石膏板内表面温度可以升高2.60C。阐明本创造新型节能相变石膏板可以较好地控制环境温度，使环境温度保持在较低变化范畴内，减少空调使用时间，达到节能减排目。
为控制变量，咱们选取厚度为50mm石膏板，相变层10mm和15mm进行热力学性能测试。增长相变夹层厚度有助于提高夹层相变石膏板隔热性能，增长相变储能石膏板蓄热能力和热惰性；通过研究对比复合相变材料体积掺量为30%直掺法相变储能石膏板与夹层相变储能石膏板，发现采用改进夹层法时，相变储能石膏板隔热效果更佳。

图9 matlab拟合空间内部温度曲线函数
分析装有不同石膏板空间温度变化曲线，去掉加热开始数据不稳定某些。把0.70h至4.83h时间段曲线用数学软件matlab进行拟合，成果如图11。由于空间吸取热量是指某一种时间段吸取热量，在加热0.7h时装有空白石膏板和PCM石膏板空间温度均为240C。按下列公式进行计算：
（1）
（2）
=28.98% （3）
其中：为空间内热容
为装有空白石膏板密闭空间内变化热量
为装有PCM石膏板密闭空间比少变化热量
为PCM石膏节能效率
5.特色及创新之处
1）配制出了高相变焓相变材芯，相变石膏板调温效果明显，可减少能耗约30%。
2）新型夹层式构造设计使得石膏板表面强度大大增强，更符合建筑石膏板强度规定。
3）用掺10%导热石墨与之混合，提高了相变石膏板调温速率，也具备填充珍珠岩颗粒空隙作用。
4）用品有导热增强效果碳短纤维复合入石膏，既提高了导热速率，又增强了石膏板表面强度。
6.推广应用前景分析
节能减排是进一步贯彻贯彻科学发展观、构建社会主义和谐社会重大举措。本创造新型夹层式构造复合相变储能石膏板可以明显控制室内温度。将能量以相变潜热形式进行贮存,实现能量在不同步空位置之间转换[6]。实验成果表白，与普通石膏板相比，在人体舒服温度范畴内，夹层相变石膏板隔热性能更佳，保温效果更好，作为内墙衬板使用时，在相似外界热环境下，传入室内热量要更少某些，可以有效减少室内环境温度波动幅度，改进室内热舒服度。使用本创造新型节能相变石膏板可以减少空调使用时间，减少CO2排放量，具备明显节能减排作用，产品市场应用前景辽阔。

重要参照文献
[1]LinKunping,ZhangYinping,DIHongfa,etal.Modelingand simulationo funder-door electric heating system with shape—stabilized PCMplates[J].BuildingandEnvironment，，39：1427-1434.
[2]Min Li，Zhishen Wu，Hongtao Kao，Jinmiao Tan. Experimental investigation of preparation and thermal performances of paraffin/bentonite composite phase change material[J]. Energy Conversion and Management,,52(11)：3275-3281.
[3]M.N.A. Hawlader，M.S. Uddin,M.M. Khin. Microencapsulated PCM thermal-energy storage system[J].Appl.Energy,,74:195-
202.
[4]Neeper D A. Themal dynamics of wallboard with latent heat storage [J]. Solar Energy,,68(5)：393-403.
[5] 白力,袁艳平,曹晓玲,王帅.癸酸/棕榈酸相变石膏板传热特性实验研究[j] .材料导报B:研究篇..26(11).:118-121
[6]施韬，孙伟，王倩楠. 潜热储能石膏基建筑材料制备及其储 (放) 热行为研究[J]. 功能材料， (6)：970-973.