Preparation of phase change microcapsules based on microporous fly-ash cenosphere and its effect on the mechanical and thermal properties of mortar
-
摘要: 为研究基于微孔漂珠的相变微胶囊对砂浆性能的影响，采用真空吸附法，以石蜡为芯材，粉煤灰微孔漂珠为壁材制备复合相变微胶囊，通过等体积代砂法将其加入砂浆中制成相变微胶囊储能砂浆。采用SEM分析复合相变微胶囊的微观形貌，通过DSC和TG表征复合相变微胶囊的热性能，并在此基础上研究复合相变微胶囊的引入对砂浆力学强度及温控性能的影响。结果表明：制备的复合相变微胶囊具有良好的分散性、致密的表面及优异的循环稳定性；复合相变微胶囊的引入使砂浆具备一定的温控性能，当相变微胶囊掺量为30%时，储能砂浆相比基准砂浆峰值温度最高下降2.58℃，峰值温度出现时间延迟90 min；由于漂珠具有良好的力学性能，储能砂浆的强度随微胶囊掺量增加虽有所下降，但仍满足规范要求。微胶囊储能砂浆具有良好的力学性能和优异的温控能力，可应用在建筑中实现控温节能的目的。Abstract: To investigate the effect of phase change microcapsules on the properties of mortar, we reported the high-performance composite phase change microcapsules using the vacuum adsorption method, where fly-ash cenosphere microporous served as a supporting skeleton and paraffin as a latent heat storage unit. The preparation phase change microcapsules were added to the mortar in equal volume sand substitution method to prepare energy storage mortars. The micro-morphology of the composite phase change microcapsules was analyzed by SEM image, and the thermal properties of the composite phase change microcapsules were characterized by DSC and TG. The influence of the introduction of the composite phase change microcapsules on the mechanical strength and temperature control performance of the mortar was studied. The test results show that the prepared composite phase change microcapsules have good dispersion ability, dense surface, and excellent cycle stability. In addition, introducing composite phase change microcapsules gives the mortar a certain temperature control performance. Compared with the blank mortar, the peak temperature of the energy storage mortar with the phase change microcapsules content of 30% decreased by 2.58℃, and the appearance time of the peak temperature was also delayed by 90 min. The mechanical strength of the energy storage mortar decreases slightly with the increase of the microcapsules content, but still meets the standard requirements. The energy storage mortar developed in this study has better mechanical properties and excellent temperature-regulating ability, and it is equally amenable to tempera-ture regulation and building energy conservation.
-
挥发性有机物(VOCs)由于其种类多、挥发性强、毒性强、刺激性强等特点已日益成为室内污染的主要元凶。家具、板材、油漆、车内饰品等环境中多含有并释放甲醛[1-4]，甲醛于2005年被国际癌症研究机构列为I类致癌物，人类吸入高浓度甲醛可导致支气管哮喘、肺炎等呼吸道疾病，若经口摄入10~20 mL的甲醛溶液会致死[5]。从某种意义上讲，甲醛的存在已与人们的生命安全息息相关[6]。
甲醛治理技术主要有吸附法[7]、低温等离子体技术[8]、微生物过滤法[9]、光催化技术，其中光催化技术由于其操作方便和成本低的优点逐渐被人们所关注。石墨相氮化碳(g-C3N4)作为光催化材料，化学合成方法简单，成本低廉，并且具有较窄的带隙(2.7 eV)、较高的可见光响应，但由于其比表面积较小且具有光生载流子的复合率较高的缺陷，导致其光催化活性偏低，因此g-C3N4材料难以单独作为光催化剂[10-11]。增强材料光催化活性的常见方法有形态结构调整、金属/非金属掺杂、异质结工程等方法[10]。较小尺寸的颗粒具有更高的光催化性能和活性，Wang等[12]成功制备了具有较大比表面积的g-C3N4材料，作为催化剂在可见光条件下的产氢速率比块状g-C3N4高出1个数量级。Ag的修饰可以提升光生电子和空穴分离，Zhou等[13]利用光还原沉积法将纳米Ag颗粒成功负载到g-C3N4的表面，并且该材料在可见光下降解罗丹明B的效率为单一g-C3N4的7倍。硅铝胶球的主要成分为SiO2和Al2O3，虽然硅铝胶球化学性质稳定，主要成分不参与光催化过程，但其中SiO2[14]以其优异的机械强度、高的内表面积和均匀的孔径，被广泛用作载体和稳定的介孔载体。对其扩孔可增加催化剂负载量，提供更多反应位点，是优秀的催化剂载体。
为此，本研究采用扩孔硅铝胶球作为光催化剂载体负载Ag掺杂的薄层g-C3N4光催化降解甲醛，探究了合成材料的最佳影响参数和提升光催化性能的机理，选取最佳光催化材料进行了循环稳定性实验和不同湿度梯度的降解实验，以期为光催化降解甲醛及其他有机污染物提供科学依据和技术支持。
1. 材料与方法
1.1 原材料
本实验采用的二氰二胺、乙二醇、乙醇、硝酸银、酚试剂指示剂、硫酸铁铵、硫代硫酸钠、甲醛标准溶液等化学试剂均为分析纯，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
1.2 材料制备
1.2.1 薄层g-C3N4的制备
块状g-C3N4制备：将10 g二氰二氨固体置于氧化铝坩埚中后放入马弗炉，在空气气氛下煅烧，540℃加热2 h(升温速率2℃/min)，冷却至室温，得到淡黄色固体研磨成粉末，g-C3N4粉末标记为g-C3N4-B。
薄层g-C3N4制备：取150 mg g-C3N4粉末于玻璃瓶中，加入200 mL无水乙醇和水的混合液，超声处理一定时间使其分散均匀，离心分离固体，经洗涤、烘干和研磨得到薄层g-C3N4，标记为g-C3N4-F。
1.2.2 薄层g-C3N4掺杂Ag的制备
分别取500 mg g-C3N4-F粉末于6支100 mL玻璃管中，加入25 mL蒸馏水，磁力搅拌10 min，加入5 mL浓度分别为0、1 mg/mL、2 mg/mL、4 mg/mL、8 mg/mL、12 mg/mL、16 mg/mL的AgNO3溶液。再加入2 mL浓度为1 mg/mL硫化钠溶液作为空穴牺牲剂，然后通10 minN2。将玻璃管置于光反应器中，300 W氙灯照射2 h后，洗涤、烘干、研磨，获得g-C3N4掺杂不同质量比的Ag的粉末。分别记为0、1%Ag-g-C3N4-F、2%Ag-g-C3N4-F、4%Ag-g-C3N4-F、8%Ag-g-C3N4-F、12%Ag-g-C3N4-F、16%Ag-g-C3N4-F(见表1)。
1.2.3 g-C3N4-Ag/SiO2光催化材料的制备
扩孔硅铝胶球：将一定量的硅铝胶球(粒径8 mm，孔径范围为10~50 nm)置入40 mg/L碳酸钠溶液中，磁力搅拌30 min，80℃烘干，放入马弗炉中300℃煅烧2 h (1℃/min升温)，冷却至室温，用乙醇和蒸馏水洗涤，80℃烘干后备用。
g-C3N4-Ag/SiO2：取2.2.1节中甲醛降解效率最高的Ag-g-C3N4-F样品10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg加入100 mL无水乙醇，超声分散均匀，然后分别加入30 g经过扩孔处理的硅铝胶球，磁力搅拌30 min，80℃烘干，置于马弗炉中200℃煅烧2 h(升温速率1℃/min)。将样品分别标记为g-C3N4-Ag/SiO2-10、g-C3N4-Ag/SiO2-20、g-C3N4-Ag/SiO2-30、g-C3N4-Ag/SiO2-40、g-C3N4-Ag/SiO2-50(见表2)。
表 1 Ag-薄层石墨相氮化碳(g-C3N4-F)复合材料的命名Table 1. Naming of Ag-thin layer graphite phase carbon nitride (g-C3N4-F) compositesSample g-C3N4-F/mg Concentration of AgNO3/(mg·mL−1) AgNO3/mL Na2S/mL 0 500 0 5 2 1%Ag-g-C3N4-F 500 1 5 2 2%Ag-g-C3N4-F 500 2 5 2 4%Ag-g-C3N4-F 500 4 5 2 8%Ag-g-C3N4-F 500 8 5 2 12%Ag-g-C3N4-F 500 12 5 2 16%Ag-g-C3N4-F 500 16 5 2 表 2 石墨相氮化碳(g-C3N4)-Ag/SiO2复合材料的命名Table 2. Naming of graphite phase carbon nitride (g-C3N4)-Ag/SiO2 compositesSample Ag-g-C3N4-F/mg SiO2/g Ethyl alcohol/mL g-C3N4-Ag/SiO2-10 10 30 100 g-C3N4-Ag/SiO2-20 20 30 100 g-C3N4-Ag/SiO2-30 30 30 100 g-C3N4-Ag/SiO2-40 40 30 100 g-C3N4-Ag/SiO2-50 50 30 100 1.3 材料的表征
利用X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD，日本岛津公司，Empyrean型，测试条件：Cu Kα射线，加速电压40 kV，2θ范围20°~90°)对材料的晶体结构、晶格缺陷和组成成分表征。利用场发射扫描电子显微镜(JSM-7900F，日本电子株式会社(JEOL))和场发射透射电子显微镜(Tecnai G2 F20 S-TWIN，美国FEI公司)展示材料微观形态。采用X射线能谱仪(EDS，Escalab 250Xi型，美国费希尔公司)对材料进行元素分析。利用紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS，Cary 5000，以BaSO4为标准白板，分辨率低于0.2 nm，平均停留时间为0.2 s，数据间隔1 nm)测试样品对光的吸收能力及分析能带结构。利用荧光光谱(PL，Cary 100，Xe灯为激发光源)分析半导体光生电子-空穴负荷率，探究其分离效率。采用电化学工作站(LK1100A，300 W Xe灯，波长范围420~780 nm)作为激发光源对样品的电化学特性进行表征，测试样品的光电流响应曲线和电化学阻抗。
1.4 光催化降解甲醛实验
图1为自制的甲醛降解实验舱，光催化降解甲醛实验在此中进行，测试时，将光催化剂放入支架，密封后注入甲醛，打开风扇和甲醛挥发装置，待甲醛完全挥发且混合均匀后，进行暗反应，然后打开灯照射光催化剂，进行光催化反应2 h，采用酚试剂分光光度法测量甲醛浓度，甲醛的初始浓度为0.5 mg/m3。光源为家庭常用8 W白光LED灯，波长范围为450~460 nm。
![]()
图 1 甲醛降解实验舱Figure 1. Formaldehyde degradation chamber1—Light source; 2, 7—Extraction sampling port; 3—Temperature and humidity meter; 4—Photocatalyst to be measured; 5—Formaldehyde volatile device; 6-Fan2. 结果与讨论
2.1 g-C3N4-Ag/SiO2材料的表征结果与分析
2.1.1 成分组成与分析
图2为g-C3N4-B、g-C3N4-F和4%Ag-g-C3N4-F材料的XRD图谱。可见，g-C3N4-B、g-C3N4-F和4%Ag-g-C3N4-F在2θ为13.6°和27.3°处存在g-C3N4的特征衍射峰，依次对应g-C3N4的碳氮杂环结构的(100)晶面和层间堆叠结构的(002)晶面[15-16]，峰型尖锐且没有其他杂峰，说明g-C3N4结晶度较高，超声处理和光沉积没有改变g-C3N4的晶型，在2θ=13.6°的特征衍射峰位置上，g-C3N4-F明显低于g-C3N4-B，说明超声处理破坏了(002)晶面对应的层状堆叠结构，纵向尺寸减小[17]，薄层g-C3N4制备成功；4%Ag-g-C3N4-F的XRD图谱在2θ为38.1°和44.2°的位置上出现Ag的特征衍射峰，依次对应Ag面心立方晶型的(111)和(200)晶面[18]，另外与g-C3N4-B/g-C3N4-F对比看出，Ag掺杂后的4%Ag-g-C3N4-F材料，仍然存在明显且尖锐的g-C3N4特征衍射峰，没有其他杂峰，表明超声处理和光沉积没有改变4%Ag-g-C3N4-F中g-C3N4的晶型。
![]()
图 2 块状石墨相氮化碳(g-C3N4)、g-C3N4-F、4%Ag-g-C3N4-F样品的XRD图谱Figure 2. XRD patterns of bulk graphite phase carbon nitride (g-C3N4-B), g-C3N4-F and 4%Ag-g-C3N4-F2.1.2 微观形貌与分析
图3为g-C3N4-B、g-C3N4-F和4%Ag-g-C3N4-F材料的SEM、TEM图像和EDS图谱。如图3(a)所示，g-C3N4-B表面呈现弯曲褶皱，横向尺寸达到微米级以上。图3(b)显示g-C3N4经过超声处理后，横向尺寸减小，并且材料表面均匀光滑，没有破碎和褶皱。如图3(d)所示，g-C3N4-F表面负载了椭球体和不规则片层状的颗粒，TEM图像表明该纳米级颗粒分散均匀，结合EDS结果说明成功将纳米级单质Ag负载到4%Ag-g-C3N4-F表面。
![]()
图 3 g-C3N4-B (a)、g-C3N4-F (b)、4%Ag-g-C3N4-F ((c)、(d)) 材料的SEM图像及4%Ag/g-C3N4-F ((e)、(f))的TEM图像Figure 3. SEM images of g-C3N4-B (a), g-C3N4-F (b), 4%Ag-g-C3N4-F ((c), (d)) and TEM images of 4%Ag-g-C3N4-F ((e), (f))图4为SiO2和g-C3N4-Ag/SiO2-30的SEM图像。如图4(b)所示，经扩孔处理的硅铝胶球(g-C3N4-Ag/SiO2-30)的孔容积增大，孔径最大达到微米级，负载了Ag-g-C3N4的SiO2表面更粗糙，表明4%Ag-g-C3N4-F成功负载到扩孔硅铝胶球的表面和部分孔道结构中。但是可以看出部分孔道和表面没有Ag-g-C3N4的负载，负载的并不均匀。
![]()
图 4 SiO2 (a)和g-C3N4-Ag/SiO2-30 (b) 的SEM图像Figure 4. SEM images of SiO2 (a) and g-C3N4-Ag/SiO2-30 (b)2.1.3 紫外可见光吸光性与分析
图5为g-C3N4-B、g-C3N4-F和4%Ag-g-C3N4-F材料的紫外可见光吸收光谱图。如图5(a)所示，g-C3N4-B、g-C3N4-F和4%Ag-g-C3N4-F这3种材料都有吸收带边。g-C3N4-B吸收带边位于460 nm附近，能带间隙为2.69 eV，说明g-C3N4-B有可见光响应，与文献[19]报道一致。g-C3N4-F的吸收带边相对g-C3N4-B，发生蓝移在450 nm附近，带隙约为2.75 eV，这是由于超声处理后g-C3N4-F的量子尺寸效应导致能隙变大，使其吸收带边发生蓝移[15,20]。4%Ag-g-C3N4-F的吸收带边相对于g-C3N4-F，发生了明显的红移，在480 nm附近，带隙为2.58 eV，说明掺杂的纳米单质Ag，能显著地提升g-C3N4-F对可见光的吸收强度和吸收范围，出现这种情况的原因在于纳米单质Ag的等离子体产生了共振效应[18,21]。
![]()
图 5 g-C3N4-B、g-C3N4-F、4%Ag-g-C3N4-F紫外可见吸收光谱 (a) 及对应的Tauc曲线 (b)Figure 5. UV-vis DRS (a) and corresponding Tauc’s plot (b) of g-C3N4-B, g-C3N4-F and 4%Ag-g-C3N4-F2.1.4 荧光光谱结果与分析
图6为g-C3N4-B、g-C3N4-F和4%Ag-g-C3N4-F材料的荧光光谱图。可见，3种材料均在450 nm附近有明显的g-C3N4特征峰，与Zhou等[22]和Shi等[23]研究结果一致。g-C3N4-F的荧光强度明显低于g-C3N4-B，表明经超声处理后的g-C3N4-F比g-C3N4-B具有更低的光生载流子复合率，更高的分离率和迁移率，从而产生更多的光生电子和空穴参与光催化。g-C3N4主要依靠范德华力和氢键作用于材料的层状结构，因此具有较高的势垒，阻碍了光生电子与空穴的迁移，而超声剥离使g-C3N4纵向尺寸变小，降低了层与层之间的氢键和范德华力，减小了势垒[20]，促进光生电子和空穴的分离和迁移，进而增强了光催化效率。4%Ag-g-C3N4-F的荧光强度明显低于g-C3N4-F，表明纳米单质Ag的掺杂，极大地提升了光生电子和空穴的分离率和迁移率，这是由于Ag具有较大的电负性，可在g-C3N4与Ag的交界处形成电子势阱，进而提升光生电子向交界处的迁移率。同时Ag具有优异的导电性，迁移到交界处的光生电子会迅速迁移到Ag表面并传递给受体，从而提升了光催化效率[21]。
![]()
图 6 g-C3N4-B、g-C3N4-F、4%Ag-g-C3N4-F的荧光图谱Figure 6. Photoluminescence spectra of g-C3N4-B,g-C3N4-F and 4%Ag-g-C3N4-F2.1.5 电化学结果与分析
图7是g-C3N4-B、g-C3N4-F和4%Ag-g-C3N4-F材料的光电流响应曲线和电化学阻抗曲线。光电流响应曲线显示光催化材料在光照条件下产生光电流的强度，电化学阻抗显示光生载流子在材料内部转移的阻抗大小。如图7(a)所示，3种材料在光照条件下均产生了光电流，g-C3N4-F和4%Ag/g-C3N4-F的光电流密度分别达到了g-C3N4-B的1.7倍和4倍，这是由于调控g-C3N4的尺寸和掺杂纳米单质Ag可以有效提高其光生电子和空穴的分离效率，并且Ag的掺杂可以显著加快光生载流子的迁移效率。图7(b)所示，3种材料的化学阻抗曲线均为圆弧状曲线，圆弧半径越大电荷迁移阻抗就越大，圆弧半径的大小排列顺序为g-C3N4-B>g-C3N4-F>4%Ag-g-C3N4-F，说明尺寸调控和纳米单质Ag的掺杂能够降低阻抗，加快光生载流子的迁移效率，这与荧光光谱和光电流响应曲线的结果一致。
![]()
图 7 g-C3N4-B、g-C3N4-F、4%Ag-g-C3N4-F的瞬态光电流响应曲线 (a) 和电化学阻抗曲线 (b)Figure 7. Transient photocurrent response curves (a) and EIS curves (b) of g-C3N4-B, g-C3N4-F and 4%Ag-g-C3N4-F2.2 g-C3N4掺杂Ag、SiO2对光催化性能的影响
2.2.1 薄层g-C3N4掺杂不同质量比Ag对甲醛光催化降解效果的影响
图8是薄层g-C3N4掺杂不同质量比Ag对甲醛光催化降解效果图。可见，随着Ag质量比的增加，甲醛的降解率先上升后下降，在Ag质量比为4%时，为甲醛降解率的最大值52.82%。当Ag的质量比超过4%时，Ag较容易聚集成较大颗粒，使Ag与g-C3N4接触面积减少，进而减降低了Ag与g-C3N4交界面光电子的迁移效率[24]，因此在Ag质量比超过4%时，光催化效率下降。可以得出适量掺杂Ag，能有效地提升量子产率，提升光催化降解效率。
2.2.2 g-C3N4-Ag/SiO2对甲醛光催化降解效果的影响
图9是g-C3N4-Ag/SiO2对甲醛光催化降解效果图。可见，降解甲醛的效率最好的是g-C3N4-Ag/SiO2-30，120 min后降解率达到65.6%。随着4%Ag-g-C3N4-F含量的增加，甲醛降解率先增加后降低。因为活性组分4%Ag-g-C3N4-F的增加，使降解甲醛的活性位点增多，所以甲醛降解率升高。而随着其负载量的继续增加，使硅铝胶球的部分孔道堵塞，从而抑制了甲醛的吸附和降解产物的脱附，进而导致甲醛降解率降低。
![]()
图 9 不同g-C3N4-Ag/SiO2样品降解甲醛的效果Figure 9. Degradation efficiency of g-C3N4-Ag/SiO2 samples to formaldehyde2.3 环境湿度对甲醛降解效果的影响
图10是相对湿度对甲醛降解效果的影响。因为空气中的水分子会一定程度地影响光催化反应，而不同地区的相对湿度不同，所以相对湿度作为环境因素有一定的代表性和重要性。选择g-C3N4-Ag/SiO2-30作为催化剂，探究相对湿度对甲醛光催化降解的影响。可见，随着相对湿度的增加，甲醛降解率呈显先上升后下降的趋势。这是由于在光催化反应中，水分子作为空穴的受体，与光生空穴反应会生成羟基自由基，随着水分子的增加，会产生更多的羟基自由基来氧化甲醛分子；随着相对湿度的继续增加，水分子和甲醛分子变成竞争关系，而SiO2表面的硅氧键更容易与水分子结合形成氢键，使水分子占据更多的吸附点位，从而削弱了对甲醛分子的吸附，同时由于水分子在较高的相对湿度下会液化，在硅铝胶球的表面形成液膜，使甲醛分子的传质阻力增大，阻碍了甲醛分子与催化剂的接触，导致甲醛的降解效率降低。
![]()
图 10 相对湿度对g-C3N4-Ag/SiO2-30降解甲醛效果的影响Figure 10. Effect of relative humidity on formaldehyde degradation rate by g-C3N4-Ag/SiO2-302.4 催化剂使用次数对甲醛降解效果的影响
图11是催化剂使用次数对甲醛降解效果的影响。催化剂的循环稳定性是评价其实际应用的重要指标。本试验使用g-C3N4-Ag/SiO2-30样品进行重复降解甲醛实验，每个周期降解时间为120 min，甲醛初始浓度均为0.5 mg/m3，催化剂每次循环前不作处理。可见，随着催化剂使用次数的增加，甲醛降解率呈缓慢下降趋势，16次使用过后，甲醛的降解率仅降低了9.71%，说明g-C3N4-Ag/SiO2-30的循环稳定性较好。使用多次催化效率下降的原因是由于SiO2 内部的孔道形状不平整，容易阻碍气体流动，不利于气体分子的脱附和扩散，进而导致降解产物逐渐在催化剂上积累，抑制了光催化活性[25]。
![]()
图 11 g-C3N4-Ag/SiO2-30降解甲醛的循环稳定性实验Figure 11. Cyclic stability experiment of g-C3N4-Ag/SiO2-30 for degradation of formaldehyde2.5 g-C3N4-Ag/SiO2光催化降解机制
图12是g-C3N4-Ag/SiO2材料光催化降解机制图。可见，经超声处理后的g-C3N4具有更低的光生载流子复合率，更高的分离率和迁移率，产生更多的光生电子流向g-C3N4表面，同时Ag具有优异的导电性，迁移到交界处的光生电子会迅速迁移到Ag表面并被空气中的氧气捕获，产生超氧自由基(·O2)[26]，从而将甲醛氧化。超声处理降低了g-C3N4的势垒，促进了光生电子和空穴的分离，纳米单质Ag等离子体的共振效应增强了g-C3N4对可见光的吸收强度和吸收范围，并且Ag较大的电负性在g-C3N4与Ag的交界处形成电子势阱，提升光生电子向交界处的迁移率。因此g-C3N4-Ag/SiO2材料在LED白光光源下表现出良好的催化能力。
![]()
图 12 g-C3N4-Ag/SiO2光催化降解机制Figure 12. g-C3N4-Ag/SiO2 photocatalytic degradation mechanism扩孔硅铝胶球可供降解产物吸附的位点较多，而水分子作为空穴的受体，与光生空穴反应会生成羟基自由基来氧化甲醛分子。
3. 结 论
(1) 成功制备薄层石墨相氮化碳(g-C3N4)-Ag/SiO2光催化复合材料，通过XRD、SEM、DES、TEM、紫外可见光吸收光谱、荧光光谱和电化学等表征显示材料光催化性能良好。
(2) g-C3N4-Ag/SiO2材料对甲醛具有良好的催化降解性能。超声处理使g-C3N4的势垒降低，促进了光生电子和空穴的分离，纳米单质Ag的掺杂通过等离子体的共振效应提升了光的吸收强度和吸收范围，依靠其较大的电负性加快光生电子的迁移速度，g-C3N4-Ag/SiO2-30催化降解率达到65.6%。
(3) g-C3N4-Ag/SiO2材料有良好的应用前景，g-C3N4-Ag/SiO2-30(Ag-薄层g-C3N4(g-C3N4-F)为30 mg)循环使用16次时，甲醛降解效率仅下降9.71%；g-C3N4-Ag/SiO2材料对环境因素具有一定的选择性，其中环境湿度对甲醛降解效果影响比较明显，相对湿度为40%时，甲醛降解效率达最大值64.56%。
-
![]()
图 1 石蜡DSC曲线
Tc—Peak cooling temperature; ΔHc—Latent heat of cooling phase transition; Tm—Peak heating temperature; ΔHm—Latent heat of heating phase transition
Figure 1. DSC curves of paraffin
![]()
图 5 真空吸附法制备相变微胶囊
Figure 5. Preparation of phase change microcapsules by vacuum adsorption
![]()
图 6 相变微胶囊示意图：(a) 未封装；(b) 封装后
Figure 6. Phase change microcapsule diagram: (a) Unpackaged; (b) Encapsulated
![]()
图 7 相变微胶囊储能砂浆制备
Figure 7. Preparation diagram of phase change microcapsule energy storage mortar
![]()
图 8 基准砂浆和30%掺量相变微胶囊储能砂浆温控性能试验箱
Figure 8. Reference mortar temperature control performance test box and the 30% phase change microcapsule energy storage mortar temperature control performance test box
![]()
图 9 温控性能试验箱尺寸及传感器分布
Figure 9. Temperature control performance test box size and sensor distribution
![]()
图 10 SEM图像：((a), (b)) 粉煤灰漂珠；(c) 微孔漂珠
Figure 10. SEM images: ((a), (b)) Fly-ash cenosphere; (c) Microporous cenosphere
![]()
图 11 SEM图像：(a) 未封装石蜡微胶囊；((b), (c)) 已封装石蜡微胶囊
Figure 11. SEM images: (a) Unpackaged paraffin microcapsules; ((b), (c)) Encapsulated paraffin microcapsules
![]()
图 12 砂浆试件抗折试验图：(a) 基准砂浆试件破坏断面；(b) 相变微胶囊储能砂浆试件破坏断面
Figure 12. Flexural test mortar specimen diagram: (a) Reference mortar specimen failure section; (b) Phase change microcapsule energy storage mortar specimen failure section
![]()
图 13 砂浆抗折强度：(a) 7天；(b) 28天
Figure 13. Mortar flexural strength: (a) 7 days; (b) 28 days
![]()
图 14 砂浆试件抗压试验图：(a) 基准砂浆试件；(b) 相变微胶囊储能砂浆试件
Figure 14. Compressive test of mortar specimen diagram: (a) Benchmark mortar specimen; (b) Phase change microcapsule energy storage mortar specimen
![]()
图 15 砂浆抗压强度：(a) 7天；(b) 28天
Figure 15. Mortar compressive strength: (a) 7 days; (b) 28 days
![]()
图 17 微胶囊相变循环后质量及潜热损失率
Figure 17. Quality and latent heat loss rate of phase change microcapsule after phase change cycle
![]()
图 18 TG曲线：(a) 石蜡；(b) 相变微胶囊
Figure 18. TG curves: (a) Paraffin; (b) Phase change microcapsules
![]()
图 19 不同相变微胶囊掺量砂浆比热容
Figure 19. Specific heat capacity of mortar of different dosage of phase change microcapsules
![]()
图 20 DSC曲线：(a) SJ-P0砂浆；(b) SJ-P30砂浆；(c)相变微胶囊
Figure 20. DSC curves: (a) SJ-P0 mortar; (b) SJ-P30 mortar; (c) Phase change microcapsules
![]()
图 21 室外温度、湿度及太阳辐射
Figure 21. Outdoor ambient temperature, humidity and solar radiation intensity
![]()
图 22 室外温度、SJ-P0和SJ-P30试验箱内温度
Figure 22. Temperature of outdoor ambient, SJ-P0 and SJ-P30 test box
![]()
图 23 室外湿度、SJ-P0和SJ-P30试验箱内湿度
Figure 23. Humidity of outdoor ambient, SJ-P0 and SJ-P30 test box
![]()
图 24 不同时间段室外温度、SJ-P0和SJ-P30试验箱内温度
Figure 24. Temperature of outdoor, SJ-P0 and SJ-P30 test box in different time period
表 1 漂珠化学成分
Table 1 Chemical constituents of fly-ash cenosphere
wt% SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2O CaO MgO TiO2 Na2O Other 58.9 27.6 5.5 3.1 1.6 1.2 0.9 0.6 0.6 
下载: 导出CSV
表 2 微孔漂珠对石蜡的负载率
Table 2 Paraffin adsorption rate of microporous cenosphere
Microporous cenosphere
quality/gQuality of phase change microcapsules
after adsorption of paraffin wax/gAverage value/g Paraffin loading rate/% 20.00 35.72 35.82 35.57 35.70 78.52
下载: 导出CSV
表 3 砂浆配合比
Table 3 Mix proportion of mortar
Sample number Cement
/(kg·m−3)Water/(kg·m−3) Medium sand/(kg·m−3) Phase change microcapsule
/(kg·m−3)SJ-P0 450 225 1350.0 0 SJ-P10 450 225 1215.0 42.6 SJ-P15 450 225 1147.5 63.9 SJ-P25 450 225 1012.5 106.5 SJ-P30 450 225 945.0 127.8
下载: 导出CSV
表 4 微胶囊相变循环后质量及潜热
Table 4 Quality and latent heat of phase change microcapsule after phase change cycle
Description of
samplePhase change cycle times 0 30 60 90 120 Latent heat of phase
change/(J·g-1)60.08 59.77 59.62 59.56 59.55 Quality loss/g 20.00 19.89 19.85 19.82 19.81
下载: 导出CSV
表 5 相变微胶囊储能砂浆降温过程DSC测试结果
Table 5 DSC test results of cooling process of phase change microcapsule energy storage mortar
Sample number Initial solidification temperature/℃ Phase transition peak temperature/℃ Phase change latent heat
/(J·g-1)SJ-10 18.44 16.69 5.39 SJ-15 18.39 16.75 8.19 SJ-25 18.97 16.80 14.45 SJ-30 18.86 16.84 18.74
下载: 导出CSV
表 6 相变微胶囊储能砂浆升温过程DSC测试结果
Table 6 DSC test results of heating process of phase change microcapsule energy storage mortar
Sample number Initial melting temperature
/℃Phase transition peak temperature/℃ Phase change latent heat
/(J·g-1)SJ-10 19.69 22.64 6.67 SJ-15 19.77 22.73 9.42 SJ-25 20.32 23.27 15.81 SJ-30 20.19 23.19 19.18
下载: 导出CSV
表 7 2021-10-07~2021-10-12试验箱峰值温度和峰值时间差
Table 7 2021-10-07~2021-10-12 test box peak temperature and peak time difference
Date Peak high temperature difference value/℃ Time difference of peak high temperature/min Peak low temperature difference value/℃ Time difference of peak low temperature/min 10-07-10-08 −2.58 60 1.37 90 10-08-10-09 −2.38 40 0.82 10 10-09-10-10 −2.16 30 2.21 20 10-10-10-11 −2.09 70 0.68 10 10-11-10-12 −2.09 70 0.68 10 Note: Peak temperature and peak time difference are SJ-P30 test box minus SJ-P0 test box.
下载: 导出CSV
-
[1] CAO X, DAI X, LIU J. Building energy-consumption status worldwide and the state-of-the-art technologies for zero-energy buildings during the past decade[J]. Energy and Buildings,2016,128:198-213. DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.06.089
[2] 中国建筑节能协会. 中国建筑能耗研究报告(2020)成果发布[EB/OL]. (2020-12-31). [2022-08-11]. . China Association of Building Energy Efficiency. Results of China building energy consumption research report (2020)[EB/OL]. (2020-12-31). [2022-08-11]. (in Chinese).
[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 住房和城乡建设部关于印发“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划的通知[EB/OL]. (2022-03-11). [2022-08-11]. . Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China on the issuance of 14th Five-Year' building energy efficiency and green building development plan notice[EB/OL]. (2022-03-11). [2022-08-11]. (in Chinese).
[4] 宋晓庆, 姜猛进, 叶光斗, 等. 石蜡/聚乙烯醇相变储能纤维的制备与表征[J]. 复合材料学报, 2008(1):17-22. DOI: 10.3321/j.issn:1000-3851.2008.01.003 SONG Xiaoqing, JIANG Mengjin, YE Guangdou, et al. Preparation and characterization of paraffin/polyvinyl alcohol phase change energy storage fiber[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2008(1):17-22(in Chinese). DOI: 10.3321/j.issn:1000-3851.2008.01.003
[5] SOUAYFANE F, FARDOUN F, BIWOLE P H. Phase change materials (PCM) for cooling applications in buildings: A review[J]. Energy and Buildings,2016,129:396-431. DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.04.006
[6] 陈颖, 姜庆辉, 辛集武, 等. 相变储能材料及其应用研究进展[J]. 材料工程, 2019, 47(7):1-10. DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000876 CHEN Ying, JIANG Qinghui, XIN Jiwu, et al. Research progress in phase change energy storage materials and their applications[J]. Journal of Materials Engineering,2019,47(7):1-10(in Chinese). DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000876
[7] AKEIBER H, NEJAT P, MAJID M Z A, et al. A review on phase change material (PCM) for sustainable passive cooling in building envelopes[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,60:1470-1497. DOI: 10.1016/j.rser.2016.03.036
[8] 尚建丽, 李乔明, 王争军. 微胶囊相变储能石膏基建筑材料制备及性能研究[J]. 太阳能学报, 2012, 33(12): 2140-2144. SHANG Jianli, LI Qiaoming, WANG Zhengjun. Preparation and properties of gypsum-based building materials for microcapsule phase change energy storage[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(12): 2140-2144(in Chinese).
[9] HADJIEVA M, STOYKOV R, FILIPOVA T. Composite salt-hydrate concrete system for building energy storage[J]. Renewable Energy,2000,19(1-2):111-115.
[10] 倪海洋, 朱孝钦, 胡劲, 等. 相变材料在建筑节能中的研究及应用[J]. 材料导报, 2014, 28(21):100-104. NI Haiyang, ZHU Xiaoqin, HU Jin, et al. Research and application of phase change materials inbuilding energy efficiency[J]. Materials Reports,2014,28(21):100-104(in Chinese).
[11] BROOKS A L, FANG Y, SHEN Z, et al. Enabling high-strength cement-based materials for thermal energy storage via fly-ash cenosphere encapsulated phase change materials[J]. Cement and Concrete Composites,2021,120:104033. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2021.104033
[12] TYAGI V V, KAUSHIK S C, TYAGI S K, et al. Development of phase change materials based microencapsulated technology for buildings: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(2):1373-1391. DOI: 10.1016/j.rser.2010.10.006
[13] 詹建, 邹得球, 李乐园, 等. 高温相变石蜡-脲醛树脂微胶囊的制备及表征[J]. 复合材料学报, 2017, 34(2):284-290. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.005 ZHAN Jian, ZOU Deqiu, LI Yueyuan, et al. Preparation and characterization of high-temperature phase change paraffin-urea-formaldehyde resin microcapsules[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2017,34(2):284-290(in Chinese). DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.005
[14] CHANDEL S S, AGARWAL T. Review of current state of research on energy storage, toxicity, health hazards and commercialization of phase changing materials[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2017,67:581-596. DOI: 10.1016/j.rser.2016.09.070
[15] 于文艳, 孟琦, 童浩然. 微胶囊相变材料对砂浆力学和热性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2023, 26(2): 215-220. YU Wenyan, MENG Qi, TONG Haoran. Effect of microencapsulated phase change materials on mechanical and thermal properties of mortar[J]. Journal of Building Materials, 2023, 26(2): 215-220(in Chinese).
[16] 李进, 陈佩圆, 马海彬, 等. 石蜡胶囊的制备及其对砂浆热导和力学性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2017, 36(3):1051-1055, 1063. DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2017.03.051 LI Jin, CHEN Peiyuan, MA Haibin, et al. Preparation of paraffin capsules and their effects on thermal conductivity and mechanical properties of mortar[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2017,36(3):1051-1055, 1063(in Chinese). DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2017.03.051
[17] 马芹永, 白梅. 相变储能混凝土的制备与性能[J]. 复合材料学报, 2018, 35(3) : 676-683. MA Qinyong, BAI Mei. Preparation and properties of phase change energy storage concrete[J]. Acta Materiae Compo-sitae Sinica, 2018, 35(3) : 676-683(in Chinese).
[18] SINGH R P K, SHUKLA S K, GUPTA N K. Potential of microencapsulated PCM for energy savings in buildings: A critical review[J]. Sustainable Cities and Society,2020,53:101884.
[19] HUNGER M, ENTROP A G, MANDILARAS I, et al. The behavior of self-compacting concrete containing micro-encapsulated phase change materials[J]. Cement and Concrete Composites,2009,31(10):731-743. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.08.002
[20] GIRO-PALOMA J, MARTíNEZ M, CABEZA L F, et al. Types, methods, techniques, and applications for microencapsulated phase change materials (MPCM): A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,53:1059-1075. DOI: 10.1016/j.rser.2015.09.040
[21] 徐恩涛. 相变储能砂浆的制备及性能的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2011. XU Entao. Preparation and properties of phase change energy storage mortar[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011(in Chinese).
[22] 国家市场监督管理总局. 水泥胶砂强度检验方法(ISO法): GB/T 17671—2021[S]. 北京: 中国标准出版社, 2021. State Administration for Maket Regulation. Test method of cement mortar strength (ISO method): GB/T 17671—2021[S]. Beijing: Standards Press of China, 2021(in Chinese).
[23] 国家市场监督管理总局. 建筑用砂: GB/T 14684—2022[S]. 北京: 中国标准出版社, 2011. State Administration for Maket Regulation. Sand for construction: GB/T 14684—2022[S]. Beijing: Standards Press of China, 2022(in Chinese).
[24] LIU F, WANG J, QIAN X. Integrating phase change materials into concrete through microencapsulation using cenospheres[J]. Cement and Concrete Composites,2017,80:317-325. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2017.04.001
[25] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑砂浆基本性能试验方法标准: JGJ/T 70—2009[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Standard of test method for basic properties of construction mortar: JGJ/T 70—2009[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2009(in Chinese).
[26] MENG E, YU H, ZHOU B. Study of the thermal behavior of the composite phase change material (PCM) room in summer and winter[J]. Applied Thermal Engineering,2017,126:212-225. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.07.110
[27] SONG H, YUM W S, SIM S, et al. Proposed specific heat capacity model for a concrete wall containing phase change material (PCM) under field experiment conditions[J]. Construction and Building Materials,2022,336:127381. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127381
[28] KHERADMAND M, ABDOLLAHNEJAD Z, PACHECO-TORGAL F. Alkali-activated cement-based binder mortars containing phase change materials (PCMs): Mechanical pro-perties and cost analysis[J]. European Journal of Environmental and Civil Engineering,2020,24(8):1068-1090. DOI: 10.1080/19648189.2018.1446362
[29] AGUAYO M, DAS S, MAROLI A, et al. The influence of microencapsulated phase change material (PCM) characteristics on the microstructure and strength of cementitious composites: Experiments and finite element simulations[J]. Cement and Concrete Composites,2016,73:29-41. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2016.06.018
[30] ILLAMPAS R, RIGOPOULOS I, IOANNOU I. Influence of microencapsulated phase change materials (PCMs) on the properties of polymer modified cementitious repair mortar[J]. Journal of Building Engineering,2021,40:102328. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.102328
[31] BROOKS A L, ZHOU H, HANNA D. Comparative study of the mechanical and thermal properties of lightweight cementitious composites[J]. Construction and Building Materials,2018,159:316-328. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.10.102
[32] MEMON S A, CUI H, LO T Y, et al. Development of structural-functional integrated concrete with macro-encapsulated PCM for thermal energy storage[J]. Applied Energy,2015,150:245-257. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.03.137
[33] ZHOU H, BROOKS A L. Thermal and mechanical properties of structural lightweight concrete containing lightweight aggregates and fly-ash cenospheres[J]. Construction and Building Materials,2019,198:512-526. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.11.074
[34] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 墙体材料应用统一技术规范: GB/T 50574—2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Uniform technical code for wall materials used in buildings: GB/T 50574—2010[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2010(in Chinese).
[35] TAN W, MARTÍNEZ-PAÑEDA E. Phase field fracture predictions of microscopic bridging behaviour of composite materials[J]. Composite Structures,2022:286 :115242.
[36] ANTOLOVICH S D, SAXENA A, GERBERICH W W. Fracture mechanics–An interpretive technical history[J]. Mechanics Research Communications,2018,91:46-86. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2018.03.003
[37] VAKALOVA T V, REVVA I B. Use of zeolite rocks for ceramic bricks based on brick clays and clay loams with high drying sensitivity[J]. Construction and Building Materials,2020,255:119324. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119324
[38] WANG X, LEI Y, CHEN Z, et al. Sepiolite-zeolite powder doped with capric acid phase change microcapsules for temperature-humidity control[J]. Journal of Colloid and Interface Science,2021,595:25-34. DOI: 10.1016/j.jcis.2021.03.106
[39] 田国华. 相变储能建筑墙体传热特性及能耗影响研究[D]. 北京: 中国矿业大学, 2018. TIAN Guohua. Research on the heat transfer characteristics and energy consumption of phase change energy storage building walls[D]. Beijing: China University of Mining and Technology, 2018(in Chinese).
-
期刊类型引用(7)
1. 陈楚晓，郝京华. AuPt/还原氧化石墨烯/氮化碳的制备及其在室内挥发性有机物处理中的应用. 环境工程学报. 2025(01): 178-187 . 
百度学术
2. 崔春丽，郝振华，舒永春，徐继香，王磊. MoO_3-Cu_2O/CN三相复合光催化剂的制备及其降解四环素性能. 复合材料学报. 2025(03): 1361-1374 . 本站查看
3. 孙术博，于海瀚，李强，葛慎光，姜葱葱，王丹，张丽娜，程新，高超民. NaNbO_3@g-C_3N_4复合材料的可控构筑及其压电光催化性能. 复合材料学报. 2023(03): 1534-1540 . 本站查看
4. 陈书航，郝亚超，赵阳灿，杨潘，王斯琰，徐宏妍. 硫酸改性g-C_3N_4的制备及其光催化产氢性能研究. 功能材料. 2023(07): 7126-7130 . 百度学术
5. 徐凯旋，亢玉龙，高晓明，贺红斌，袁中强，胡亚楠. 内电场增强S型异质结N-C_3N_4/BiOCl_xI_(1-x)的制备及其光催化性能. 复合材料学报. 2023(09): 5134-5144 . 本站查看
6. 肖力光，杨子力. Ag改性的g-C_3N_4基纳米复合光催化材料的研究进展. 现代化工. 2022(03): 37-40+45 . 百度学术
7. 范新容，李成，许岩. 多酸基分子材料在图书馆清洁与用户环境保护中的应用研究. 化学研究与应用. 2022(07): 1674-1679 . 百度学术
其他类型引用(6)
-
目的
随着“双碳”目标的逐步推进，能减少建筑能耗的绿色节能建筑材料愈受重视。由于相变材料潜热高、蓄热密度大和相变温度可控等优点，在建筑控温和节能领域得到极为广泛的应用。传统的相变材料引入建筑材料的方式，会产生相变材料泄露的问题，同时，相变材料与建筑材料直接接触会使建筑材料强度下降，影响正常使用。为了解决建筑材料与相变材料结合时出现的问题，本文使用粉煤灰微孔漂珠作载体，利用真空吸附法加载石蜡，制备复合相变微胶囊，并分析其微观形貌和热性能。采用等体积代砂法将复合相变微胶囊掺入砂浆中，分析相变微胶囊对砂浆力学性能、热性能和温控性能的影响。
方法首先，采用三步法从粉煤灰漂珠中筛选微孔漂珠，并利用真空吸附法将石蜡加载至微孔漂珠中制备相变微胶囊，对相变微胶囊加载率、微观形貌、热稳定性进行了试验分析。然后，依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-2021)中砂浆强度的测试方法，制备砂浆试件并测试抗压和抗折强度，探究微胶囊掺量对砂浆强度的影响。同时，利用比热容和DSC测试储能砂浆的热工性能和储能能力，分析相变微胶囊对砂浆的影响。最后，建造试验箱测试相变储能砂浆在室外环境下的温控性能，得到了室内外温度、湿度和太阳辐射强度数据。在此基础上，分析了储能砂浆对室内湿度、温度的影响。
结果通过对试验结果的分析和研究，主要有以下结果。①分析微观结构，发现粉煤灰漂珠为不透明光滑球体，粒径分布在0.15-0.45 mm之间，其中包含数量不一的完整、微孔、大孔和破碎漂珠。微孔漂珠表面分布着1~5 um直径的孔道，为石蜡进入漂珠中空腔体提供了通道。相变微胶囊颗粒之间没有团簇现象，分散性良好，通过SiO封装后表面形成致密均匀的涂层，密封性良好。②相变微胶囊经过30、60、90、120次的相变循环后，质量损失率分别为0.55%、0.75%、0.90%、0.95%，相变潜热损失率为0.52%、0.77%、0.87%、0.88%。表明相变微胶囊具有良好的循环稳定性，相变循环对其影响较小。相变微胶囊在20℃~500℃时，失重分解分为三个阶段：第I阶段为封装材料失重阶段，此阶段温度40℃~150℃，质量损失6%；第II阶段为石蜡失重阶段，此阶段温度206℃~247.9℃，质量损失45.07%；第III阶段为漂珠部分成分失重阶段，此阶段温度406.7℃~500℃，质量损失45.07%，500℃后不发生失重，最终质量残留34.49%。在温度低于150℃时相变微胶囊几乎不会发生失重行为，具有良好的热稳定性，满足建筑使用要求。根据DSC测试结果，相变微胶囊起始凝固温度18.31℃，峰值温度15.53℃，相变潜热55.53 J·g；起始融化温度19.44℃，峰值温度22.76℃，相变潜热59.89 J·g。③分析相变储能砂浆比热容，发现掺量为10%、15%、25%、30%时，相较于基准砂浆，比热容提高了40.74%、53.70%、75.93%、92.59%，相变微胶囊的掺入增强砂浆的储热能力。根据DSC数据，当相变微胶囊掺量为10%、15%、25%、30%时，储能砂浆在降温过程相变潜热分别为5.39 J·g、8.19 J·g、14.45 J·g、18.74 J·g，在升温过程中相变潜热分别为6.67 J·g、9.42 J·g、15.81 J·g、19.18 J·g。掺入相变微胶囊可以增加砂浆的潜热，并且掺量越多，潜热越高。④掺量为10%、15%、25%、30%时，相较于基准砂浆，储能砂浆7 day抗折强度分别下降4.5%、10.6%、19.7%、24.2%。储能砂浆28 day抗折强度分别下降2.5%、5%、8.8%、10%。储能砂浆7 day抗压强度分别下降12.84%、19.67%、30.60%、34.97%。储能砂浆28 day抗压强度分别下降6.15%、10.86%、15.78%、19.78%。⑤通过对基准砂浆试验箱和SJ-P30试验箱的数据分析，发现两试验箱温度总体变化趋势和环境温度相同，均呈先升高后降低的趋势。但由于相变微胶囊的存在，SJ-P30试验箱温度峰值和峰值出现时间相较环境温度和基准砂浆试验箱存在一定的滞后性。与基准砂浆试验箱相比，SJ-P30试验箱最大高温差值-2.58℃，最大低温差值为2.21℃，峰值高温和低温出现时间分别延迟70 min和90 min。在砂浆中加入相变微胶囊，可以增加砂浆热惰性和控温能力，在使用过程中能够降低室内峰值温度并减缓峰值温度出现时间，起到控温节能的效果。
结论相变材料利用潜热储能的能力对建筑温控节能而言潜力巨大，而其最关键的部分是相变材料与建筑材料的结合方式，深入研究不同结合方式下建筑材料的力学性能、热性能、稳定性及温控性能是推动其应用的重要一环。因此，本文针对目前相变材料与建筑材料结合存在的问题，通过制备相变微胶囊和相变储能砂浆，分析相变微胶囊和储能砂浆的力学性能、热性能和温控性能，探究基于微孔漂珠的相变微胶囊本身性能和其砂浆性能的影响。研究发现，相变微胶囊性质稳定，相互分散且不团聚，热稳定性和储能能力良好，可以应用在建筑材料中。相变储能砂浆力学性能良好，30%掺量内强度满足规范要求。相变储能砂浆储能能力优异，比普通砂浆最高增加90%。应用于实际中，相变储能砂浆能够明显改变室内峰值温度，减缓峰值温度出现时间，具有良好的温控性能，起到“削峰填谷”的作用。
-
相变材料(Phase Change Material，PCMs)与砂浆结合并应用于建筑后，可有效改善建筑材料热性能，减少建筑物室温波动和能源消耗，提高舒适度。但由于相变材料引入砂浆的方式不同，存在相变材料泄露影响水泥水化、砂浆强度下降幅度大以及储能砂浆温控和热性能不佳等问题，影响了相变储能砂浆的应用。
本文基于真空吸附法，以石蜡作为芯材，粉煤灰微孔漂珠为壁材制备相变微胶囊，通过等体积代砂法将其加入砂浆中制成相变微胶囊储能砂浆。相变微胶囊与砂浆相容性好，不发生相变材料泄露。相较于基准砂浆，掺入相变微胶囊后的砂浆强度下降幅度明显降低(30%掺量抗压抗折强度仅下降19.78%和10%)，热工性能显著增加(30%掺量比热容提高92.59%、相变潜热最高增加19.18 J·g-1)，相变循环稳定性高(120次相变循环后仅损失潜热0.88%、损失质量0.95%)，热稳定性优异(低于150℃不发生失重)，温控性能明显提升(峰值温度降低2.58℃，峰值温度出现时间推迟90 min)。综上所述，基于微孔漂珠的相变微胶囊和相变储能砂浆，具有良好的力学性能和热性能，并且具有很高的储能能力，能够调控室内温度，做到“削峰填谷”。
10.7-10.8 Day outdoor and indoor temperature
mortar compressive strength
计量
- 文章访问数: 1238
- HTML全文浏览量: 626
- PDF下载量: 66
- 被引次数: 13
