溫室復(fù)合相變材料的制備及性能研究

溫室復(fù)合相變材料的制備及性能研究

0anasas熱分析可變材料（pcm，ph值改變）是指在相對(duì)穩(wěn)定的溫度下發(fā)生相變化，吸收或釋放大量熱材料。相變材料按材料的屬性可分為有機(jī)類相變材料和無機(jī)類相變材料。無機(jī)類固—液相變儲(chǔ)能材料主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等,其中最典型的是結(jié)晶水合鹽類,它們有較大的熔解熱和固定的熔點(diǎn),其本質(zhì)是指脫出結(jié)晶水的溫度。脫出的結(jié)晶水可使鹽溶解而吸熱,降溫時(shí)發(fā)生逆過程,吸收結(jié)晶水而放熱。有機(jī)類相變材料常用的有烷烴、酯、醇和石蠟等。石蠟價(jià)格便宜,其相變潛熱約為200kJ/kg,熱穩(wěn)定性較好,無腐蝕性,沒有水合鹽類相變材料的過冷和相分層現(xiàn)象。醇類相變材料的性能特點(diǎn)與石蠟相似。本文采用共混法—將所選材料在一定條件下,按適當(dāng)?shù)谋壤龜嚢杌旌?經(jīng)過一定的工藝條件有效地將幾種基材的優(yōu)良性能綜合起來,從而得到性能優(yōu)良的復(fù)合材料。從實(shí)際出發(fā),試圖制備出1~2種適合溫室生產(chǎn)要求的復(fù)合相變材料。ANSYS熱分析最強(qiáng)大的功能就是可以分析相變問題。它基于能量守恒原理的熱平衡方程,用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度,并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。含有相變問題的熱分析是一個(gè)非線性瞬態(tài)的問題。1試驗(yàn)內(nèi)容1.1添加無機(jī)碳酸鈉水浴劑制備工藝本試驗(yàn)共選用4種材料,分別為十水硫酸鈉、十水碳酸鈉(自制,制備方法:水浴條件為60℃左右,直接將無水碳酸鈉溶解在水中,水量為結(jié)晶水摩爾比的1.8倍,攪拌同時(shí)常溫冷卻,即得結(jié)晶材料)、石蠟和硬酯酸正丁脂。添加劑為乙醇和氯化鈉溶液。1.2差示掃描量熱dsc1)HANGPINGFA1604S型電子天平:上海天平儀器廠生產(chǎn),稱量精度為0.01mg。2)DSCQ1000V9.0型差示掃描量熱儀(DSC):美國TA儀器公司生產(chǎn),靈敏度為0.2uW,溫度準(zhǔn)確度為±0.1℃,加熱速率為0.01~200℃/min。3)雙層電爐:常州孟城山江拉絲廠生產(chǎn),電壓為220V,功率為1000W。1.3由聚吡咯制備1.3.1加熱爐加熱及攪拌把硬脂酸丁酯和石蠟按質(zhì)量取不同的配比,形成5種混合物式樣。硬脂酸丁酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、40%、50%、60%和70%。把二者的混合物放入加熱爐中加熱使之溶解,加熱溫度控制在70℃以下,加入少許乙醇攪拌10min,取出放在空氣中自然冷卻降溫。由于石蠟的包裹作用,因此形成了穩(wěn)定的相變材料。1.3.2質(zhì)量分?jǐn)?shù)把十水硫酸鈉和十水碳酸鈉按質(zhì)量取不同的配比,形成5種混合物式樣。十水硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、40%、50%、60%和70%。把二者的混合物放入加熱爐中加熱使之溶解,加入少許氯化鈉溶液攪拌10min,取出放在空氣中自然冷卻降溫,形成穩(wěn)定的復(fù)合相變材料,裝入已標(biāo)號(hào)的試劑袋中,準(zhǔn)備進(jìn)行DSC測試。2結(jié)果與分析2.1水硫酸鈉與十水碳酸鈉混合物的dsc曲線特征石蠟與硬脂酸正丁酯混合物的DSC曲線如圖1所示。圖1中有3個(gè)峰值區(qū)間,可以知道混合物之間并沒有發(fā)生反。3個(gè)峰中,有兩個(gè)高峰分別是石蠟和硬脂酸正丁酯的潛熱峰,而最低峰是固—固相變的結(jié)果。在兩個(gè)高峰區(qū)間內(nèi)的相變點(diǎn)溫度、吸熱量和放熱量變化比較復(fù)雜,沒有明顯的規(guī)律可尋。純物質(zhì)硬脂酸正丁酯的相變溫度為22℃,相變潛熱值為140J/g;石蠟的熔點(diǎn)為48~50℃,相變焓為189J/g。不難發(fā)現(xiàn),混合物的相變潛熱較純物質(zhì)均有所降低。遵照先選相變溫度再選潛熱的原則,二者組分比為3:7的復(fù)合材料符合設(shè)計(jì)要求。觀察此線可看出:在吸熱階段,第1峰區(qū)相變點(diǎn)為25.01℃,吸熱量為56.41J/g,第二峰區(qū)相變點(diǎn)為43.61℃,吸熱量為19.90J/g;總吸熱量為76.31J/g。在放熱階段,第1峰區(qū)相變點(diǎn)為41.01℃,放熱量為20.40J/g;第2峰區(qū)相變點(diǎn)為21.35℃,放熱量為50.15J/g。十水硫酸鈉與十水碳酸鈉混合物的DSC曲線如圖2所示。圖2中有兩個(gè)峰值區(qū)間,隨著十水硫酸鈉含量的增加,曲線有很大的差異,沒有明顯的規(guī)律可尋。觀察相變點(diǎn)和潛熱值,結(jié)合溫室生產(chǎn)的實(shí)際情況,只有十水硫酸鈉和十水碳酸鈉質(zhì)量比為4:6和3:7(即十水碳酸鈉的含量高)時(shí),基本符合設(shè)計(jì)要求。組分比為4:6的放熱點(diǎn)溫度從19.86℃開始,相變溫度為17.44℃;而組分比為3:7的放熱點(diǎn)溫度從13.24℃開始,相變溫度為12.66℃。前者相變溫度較低。另外,組分比為3:7的總吸熱量比總放熱量要大很多;而組分比4:6的總吸熱量為61.06J/g,總放熱量為61.28J/g,放熱量比吸熱量大。所以,最終選擇組分比4:6的混合物。2.2dsc—DSC-TGA分析熱重分析測量的是材料在一定的環(huán)境條件下其質(zhì)量隨溫度或時(shí)間的變化,目的是研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。DSC與TGA聯(lián)用,可以從DSC曲線的吸熱峰和放熱峰及與之相對(duì)應(yīng)的TGA曲線有無失重或增重,來判斷材料可能發(fā)生的反應(yīng)過程,從而初步確定轉(zhuǎn)變峰的性質(zhì)。對(duì)石蠟與硬脂酸正丁酯、十水硫酸鈉與十水碳酸鈉復(fù)合材料進(jìn)行DSC—TGA測試,發(fā)現(xiàn)前者的熱穩(wěn)定性能較之后者穩(wěn)定。前者在0~100℃內(nèi)的的質(zhì)量基本沒有變化,可見熱性能較好;在十水硫酸鈉與十水碳酸鈉的混合物中,隨著碳酸鈉含量的增加,混合物的失重較多,熱穩(wěn)定性能降低,這是由碳酸鈉的性質(zhì)所決定的(高溫易分解,在空氣中易風(fēng)化)。在0~50℃,觀察石蠟與硬脂酸正丁酯的吸放熱峰,對(duì)應(yīng)其DSC—TGA曲線圖,可以判斷混合物有晶型轉(zhuǎn)變的過程,與實(shí)際情況相符。十水硫酸鈉與十水碳酸鈉在此溫度范圍內(nèi)有分解的過程。經(jīng)過DSC測試及DSC-TGA分析,綜合比較,最終選擇石蠟與硬脂酸正丁酯組分比為3:7的復(fù)合材料為溫室墻體保溫材料。3不同溫度下熔融潛熱的表征相變問題需要考慮熔融潛熱,即在相變過程中吸收或釋放的熱量。ANSYS通過定義材料的焓隨溫度的變化來考慮熔融潛熱,如如圖3所示。焓是表示密度與比熱的乘積對(duì)溫度的積分,即本文最終對(duì)石蠟與硬脂酸正丁酯的復(fù)合相變材料進(jìn)行熱分析,對(duì)參數(shù)進(jìn)行簡化處理。由于在此過程中石蠟只起到包裹作用,簡化復(fù)合體周圍與外界隔熱,另外將相變溫度場簡化為平面場,包括3個(gè)典型步驟。3.1處理步驟定義單元屬性為Plane55,模型尺寸3×4。材料屬性見表1和表2所示,有限元模型如圖4所示。3.2加載和求解步驟施加的初始溫度為35℃,設(shè)置的子步數(shù)25,終止時(shí)間為3600s。3.3處理步驟4氣調(diào)與墻體的復(fù)合1)溫室生產(chǎn)的實(shí)際溫度范圍為10~35℃。本文采用共混法制備的復(fù)合相變材料,其相變溫度在此范圍內(nèi),且吸放熱量也符合設(shè)計(jì)要求,并找到了較優(yōu)的組分配比。2)采用ANSYS軟件,模擬了材料升溫過程的溫度場及熱梯度場的分布情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),溫度場最終均勻分布,與實(shí)際情況相符。3)由于條件的限制,沒有做有機(jī)—無機(jī)材料的復(fù)合試驗(yàn)。接下來的工作是要解決無機(jī)材料的過冷現(xiàn)象及相