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相变材料在水泥基材料中的应用

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：章凯

[导读] 摘要：相变材料的研究集中在能量储存和建筑节能领域，研究初期多以石膏板、保温材料和饰面材料为基体，近年来，在水泥基材料中的应用引起了广泛关注。

        浙江省建筑科学设计研究院有限公司浙江杭州 310012
        摘要：相变材料的研究集中在能量储存和建筑节能领域，研究初期多以石膏板、保温材料和饰面材料为基体，近年来，在水泥基材料中的应用引起了广泛关注。其原因是水泥基材料是用量最大的建筑材料，较石膏等墙体材料具有较大的热容，用水泥基材料作为相变材料的基体将会达到更好的储热节能效果。
        关键词：相变材料；水泥基材料；应用
        前言
        随着社会的进步，人们更加意识到能源短缺所带来的问题，也更为注重环保节能技术的开发与应用。建筑行业的作为能耗巨头产业，是节能减排的重点研究领域，面临着极大的节能挑战。在建筑节能领域中，变相材料的应用使得建筑能源利用率得到了一定的提升，具有十分广阔的应用前景，且已经逐步成为建筑节能领域的研究热点。
        1相变材料概述
        1.1相变材料的原理
        相变材料本质上是一类高效储能物质，也称为潜热储能材料。相变是指物质在发生物态转换的过程，部分材料在该转换过程中伴随大量热量的储存与释放，能够起到改变周围环境温度的作用，被称为相变材料。那么根据名称可以推断，相变材料是在发生相变时从周围环境中吸收或释放热量的一种物质，其相变过程能够对能量进行储存和利用，这一技术也被称为相变储能技术。建筑行业中能耗问题最根本的原因之一是能量供需存在时空错位的情况，造成建筑内温度存在波动，室内外温度有所偏差。而相变储能技术通过热能的存储与释放较好的解决了这个问题，有效降低了普通建筑传统平衡温差所采用的电能等能耗，实现了能源利用效率的提升。
        1.2相变材料的类别
        相变材料可以按照不同的标准，如相变形式、相变温度、相变材料的化学成分等进行分类。首先，按照相变过程的前后形态可以分为固-固相变材料和固-液相变材料等，由于应用场景的局限性，固-固相变材料和固-液相变材料在实际生产中应用最广；其次，按照相变温度范围分为低温、中温和高温相变材料，中温相变材料相对而言可应用范围更广；最后，由于无机物与有机物中均有可利用的相变材料，因此可按照化学成分分为无机相变材料和有机相变材料。无机相变材料主要为结晶水合盐和部分金属合金等，相变潜热较大，但适用情景有限。而有机相变材料主要包括多元醇类、酸类和高级烷烃等，常见的有石蜡、季戊四醇等，这类材料具有性能稳定，腐蚀性小等特点。但易燃，热导率较小，价格偏高等缺点也对其应用范围形成了一定的限制。
        2相变材料在水泥基材料中的植入
        2.1浸渍吸附法
        浸渍吸附法是利用水泥基材料孔的毛细作用直接吸附液态相变材料。该方法较为简单，但耗时较长，浸渍吸附的相变材料在基体中分布不均匀，表面含量比内部高，该种方法面临相变材料的渗漏的问题，必要时应对基体进行包覆。
        2.2定型封装法
        定型封装法是为了避免相变材料在固-液相变时发生渗漏而对相变材料进行封装的一种方法。多孔材料基定型相变材料通过物理吸附使相变材料进入多孔材料内；层状材料基定型相变材料利用插层法将相变材料固定在支撑材料的层间结构中，或将层状材料剥离成片状后与相变材料共混，片状结构搭接成的腔体实现对相变材料的定型；高分子基定型相变材料是将高熔点的高分子材料和低熔点的相变材料熔融共混后再进行降温，在降温过程中先凝固的高分子材料将相变材料封装在其网络结构中，相变材料发生相变时，高熔点的高分子材料结构稳定，对相变材料起到了很好的封装作用。

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        2.3胶囊封装法
        胶囊封装法主要有大体积封装法和微胶囊封装法。大体积封装是将相变材料封装于管、壳、袋等容器中从而避免渗漏问题，使相变材料和基体隔绝，封装容器应选择导热性高、兼容性好的材料。该种封装方法操作简单可行性高，但相变材料在边界处容易固化，低的导热率导致相变材料利用率及储放热效率较低。另外，后期装修钻孔也容易导致大体积胶囊的破坏。微胶囊封装是将相变材料封装于高分子聚合物薄膜中。在进行壁材选择时，通常选用柔软、稳定、兼容性好的聚合物材料（如聚乙烯、聚脲和环氧树脂等），常用的方法有原位聚合法、界面聚合法、乳液聚合法和悬浮聚合法，其中原位聚合法易受搅拌影响而发生团聚，界面聚合法不可应用于部分水合盐单体，而乳液聚合法和悬浮聚合法具有封装率高、粒径小、粘度低等优点。
        3相变材料在水泥基材料中的应用
        （1）应用于建筑围护结构中，达到储热节能的效果。面对日益严峻的能源危机，寻求基于相变材料的高性能蓄热技术是降低建筑能耗的关键问题之一。以片状石墨微胶囊化相变材料为原料，制备了一种新型水泥复合材料，进行了红外热成像和模拟房试验，结果表明这种新型水泥复合材料能够降低室内温度波动，在建筑节能和热舒适性方面具有良好的应用前景。
        （2）应用于大体积混凝土，减少温度裂缝的产生。在混凝土中使用相变材料进行温度控制，将石蜡微胶囊添加到水泥基材料中，半绝热条件下的最高温度显著降低。研究表明相变材料对最高温升的降低效果取决于相变温度，当使用相变温度为18℃的相变材料时，只有很小的影响，因为相变温度低于最初的测试温度20℃，当使用相变温度为28℃的相变材料时且当水泥基材料的温度达到28℃微胶囊相变材料才会起作用，所以效果会减弱，故相变温度需要根据不同的气候条件进行调整。微胶囊相变材料的加入还降低了混凝土的温降速率，这对于控制混凝土的早期开裂可能更为关键。
        （3）应用于水泥基材料中改善其抗冻性。将相变材料用于改善混凝土的抗冻性，将相变温度略高于0℃的相变材料应用于路面结构，当温度降低到冰点时液态相变材料开始固化放热，从而延缓路面水结冰，研究了两种相变材料石蜡油和月桂酸甲酯融化冰雪的能力，这两种相变材料相变温度在2～3℃且具有较高的相变焓，相变材料的植入方式采用轻骨料吸附法和管状大体积封装法，试验表明石蜡油采用两种植入方式均可达到较好的融化冰雪的效果，而月桂酸甲酯在采用轻骨料吸附法时易与水泥基材料反应，因此适宜用管状大体积封装法。
        4结论与展望
        （1）相变材料的优选改性问题。无论有机相变材料还是无机相变材料都有各自的优缺点，需进行热物理性能方面的改性后才能应用，这方面的研究往往对相变材料的应用具有革命性的意义，如成核剂和增稠剂的研发使无机相变材料的应用成为可能。因此，需进一步研究提升相变材料热物理性能（如热循环稳定性、传热效率和阻燃性等）的改性方法，扩大相变材料在储热节能方面的优势。另外还需考虑用于改性的原料成本问题，寻找研发更加低价高效的改性方式。
        （2）相变材料的封装植入问题。研究不同封装方式的主要目的是解决相变材料在发生相变时的泄漏问题，目前研究较多的封装方法仍存在封装率低、稳定性差、多次冷热循环后质量损失率高等问题，需进一步提高封装效率，降低封装成本，提高封装后产物的稳定性。
        （3）相变材料在应用过程中的问题。目前相变材料在水泥基材料中的应用主要关注相变材料在储热节能方面的效果，忽略了对水泥基材料耐久性和长期性能影响的检测，要想取得良好的应用效果，需满足水泥基材料的力学性能、耐久性能、热物理性能、阻燃性能和最大耐热循环次数等多方面的性能要求，并逐步形成相应的检测方法和指标要求，建立统一的规范和标准。
        参考文献：
        ［1］刘凤利，朱教群，马保国，等．相变石膏板制备及其在建筑墙体中应用的研究进展［J］．硅酸盐学报，2016，44（8）：1178-1191．
        ［2］周靓，石伟．水泥混凝土吸收相变材料的影响因素研究［J］．武汉理工大学学报，2014，38（3）：641-644．