劉良珍

（泉州工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，德化362500）

Na2SO4/SIO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料性能研究

劉良珍

（泉州工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，德化362500）

以SiO2為陶瓷基體材料、Na2SO4為相變儲(chǔ)能材料，同時(shí)加入陶瓷造孔劑，經(jīng)造粒、成型、干燥、燒結(jié)制得樣品。通過利用DSC、XRD、SEM、TG等一些分析手段研究了該儲(chǔ)能材料的性能。結(jié)果表明，NaSO4/SiO2陶瓷基復(fù)合相變儲(chǔ)能材料具備良好的微觀結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、熱循環(huán)利用及外形穩(wěn)定性。是一種能被廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)能材料。

相變儲(chǔ)能材料；SiO2；Na2SO4；陶瓷造孔劑；性能

1 前言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，國家對(duì)環(huán)保問題的重視，環(huán)保材料研究的重要性越來越大。相變儲(chǔ)能材料在制造清潔能源、循環(huán)利用能源、減少能源浪費(fèi)等方面能夠發(fā)揮其優(yōu)勢，是值得研究的一種環(huán)保材料。近年來，國內(nèi)外有很多人研究了相變儲(chǔ)能材料的制備和應(yīng)用。與其它材料比較，它具有明顯的優(yōu)越性，可以在比較高的溫度下使用、保溫性能好、密度小、可保持外形的穩(wěn)定、循環(huán)利用率高、解決液體泄漏等問題。此外，它還具備大的儲(chǔ)熱能力和比較好的機(jī)械性能，保證了應(yīng)用的可行性。

本材料區(qū)別于其它的陶瓷基復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，在材料中成功地引入了陶瓷造孔劑，改善了該復(fù)合材料的微孔結(jié)構(gòu)，降低了它的導(dǎo)熱系數(shù)，從而提高了保溫性能，同時(shí)還提高了相變材料的含量，從而提高了單位質(zhì)量的相變潛熱值，增加了相變儲(chǔ)能能力。

2 實(shí)驗(yàn)

1.1 Na2SO4/SIO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的制備

以SiO2為基體材料，Na2SO4為相變材料，陶瓷造孔劑為直徑大約5 um的微粉，造孔劑微粉大約在300～400℃即可排出。制備工藝流程：（1）準(zhǔn)備原料：原料粉碎并過250目篩，篩余量不超過0.5%，達(dá)到所需要的細(xì)度。（2）配制原料：將 SiO2：Na2SO4：陶瓷造孔劑按 40：60：10的比例配比。（3）造粒：均勻混合配好的原料，加入3%的羧甲基纖維素鈉進(jìn)行造粒。（4）干壓成型：設(shè)定最高壓力為70 MPa，且緩慢勻速加壓，并保壓1 min。（5）干燥，設(shè)定最高溫度為110℃，干燥時(shí)間為3.5 h，并且達(dá)到恒重。（6）燒結(jié)：升溫速率為4℃/min，最高燒成溫度為1000℃。

2.2 性能測試

分別對(duì)Na2SO4/SiO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料樣品在不同的冷熱循環(huán)次數(shù)中進(jìn)行測試和表征。（1）采用德國耐馳公司的示差掃描量熱儀DSC進(jìn)行測試樣品的相變潛熱。（2）采用XRD圖譜分析表征測試樣品的晶相。（3）采用掃描電鏡（SEM）圖片表征測試樣品的微觀結(jié)構(gòu)。（4）采用熱重分析儀（TG）表征樣品的熱穩(wěn)定性。（5）通過肉眼觀察樣品的外部尺寸來表征外形穩(wěn)定性。

3 結(jié)果與討論

3.1 Na2SO4/SIO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的相變潛熱

作為一種良好的復(fù)合相變儲(chǔ)能材料必須具備比較高的相變潛熱，并且在反復(fù)使用的過程中不易老化。圖1的測試結(jié)果表征了Na2SO4/SiO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料有比較高的相變潛熱，符合儲(chǔ)能材料的要求，具備研究的價(jià)值。表1為經(jīng)歷不同的冷熱循環(huán)（20～1000℃）次數(shù)得到不同的相變潛熱。從表1中可以看出Na2SO4/SiO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料在80次的冷熱循環(huán)中，其相變潛熱變化很小，熱循環(huán)利用率高，從而保證了它的使用壽命。

表1經(jīng)歷不同冷熱循環(huán)復(fù)合相變材料相變潛熱

圖1 經(jīng)歷20次冷熱循環(huán)復(fù)合相變材料相變潛熱

3.2 Na2SO4/SIO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的XBD分析

對(duì)被測試樣進(jìn)行不同次數(shù)的冷熱循環(huán)（20～1000℃）后，得到圖2的XRD圖譜，從圖中可以看出Na2SO4、SiO2晶相沒有發(fā)生變化，含量也幾乎不變。保證了相變材料的儲(chǔ)能能力和復(fù)合材料的使用壽命。

圖2 進(jìn)行20次、40次、60次冷熱循環(huán)后XRD圖譜

3.3 Na2SO4/SIO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的微觀結(jié)構(gòu)

通過圖3可以看出：（1）加入陶瓷造孔劑后形成了比較均勻的微孔結(jié)構(gòu)。（2）Na2SO4、SiO2沒有產(chǎn)生相分離，Na2SO4被SiO2所包裹，并且很緊密的結(jié)合在一起。形成的微孔結(jié)構(gòu)可以裝滿Na2SO4的液體，提高儲(chǔ)能材料Na2SO4的單位含量，從而提高復(fù)合儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能能力，同時(shí)由于有微孔的存在，導(dǎo)致復(fù)合儲(chǔ)能材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，密度減小，提高了該材料的保溫性能，并且減少了它的重量，為使用提供了方便。

圖3 加入陶瓷造孔劑的SEM圖片

3.4 Na2SO4/SIO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的熱穩(wěn)定性

復(fù)合相變儲(chǔ)能材料在反復(fù)的冷熱循環(huán)使用中，相變材料Na2SO4的質(zhì)量要保持穩(wěn)定，才能保證相變潛熱不變。表2表征在經(jīng)歷不同的熱循環(huán)次數(shù)，復(fù)合相變儲(chǔ)能材料重量的變化。從表中可以看出經(jīng)歷了80次的熱循環(huán)，失重率僅為1.1%，并且在后面的熱循環(huán)中幾乎不發(fā)生變化。產(chǎn)生的原因是SiO2基體材料、陶瓷造孔劑在燒結(jié)后，能形成微孔結(jié)構(gòu)，微孔中的毛細(xì)管力阻礙相變材料Na2SO4在熔融狀態(tài)下的外流。這樣既保證了相變材料Na2SO4質(zhì)量的穩(wěn)定性，又提高了相變材料在復(fù)合材料中的含量，從而提高相變潛熱。

表2復(fù)合相變材料經(jīng)歷不同冷熱循環(huán)的重量

3.5 Na2SO4/SIO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的外形穩(wěn)定性

復(fù)合儲(chǔ)能材料在反復(fù)冷熱循環(huán)中，保持外形的穩(wěn)定很重要，因?yàn)樵谑褂眠^程中如果變形，會(huì)造成設(shè)備的堵塞，影響儲(chǔ)能材料的應(yīng)用。從圖4中可以看出Na2SO4/SiO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料在外形上保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生變形，不影響使用性能。

4 結(jié)論

圖4 復(fù)合相變材料經(jīng)歷不同冷熱循環(huán)的外形圖

（1）經(jīng)歷80次的冷熱循環(huán)，Na2SO4/SiO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的相變潛熱值只損失1.6%，并且經(jīng)歷了20次冷熱循環(huán)時(shí)，用示差掃描量熱儀（DSC）測試的相變潛熱為77.61 J/g。

（2）經(jīng)歷多次的冷熱循環(huán)，采用XRD圖譜分析發(fā)現(xiàn)，Na2SO4/SiO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的晶相無變化，并且含量幾乎也不變。

（3）由于加入陶瓷造孔劑，掃描電鏡（SEM）圖片顯示Na2SO4/SiO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料形成均勻的微孔結(jié)構(gòu)，并且Na2SO4被SiO2所包裹，無相分離現(xiàn)象。

（4）經(jīng)歷多次的冷熱循環(huán)，熱重分析儀（TG）測試的結(jié)果顯示Na2SO4/SiO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的失重率僅為1.1%，有很好的熱穩(wěn)定性。

（5）經(jīng)歷多次的冷熱循環(huán)，Na2SO4/SiO2復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的外形保持穩(wěn)定。

[1]王華,何方,胡建杭等.燃料工業(yè)爐用陶瓷與熔融鹽復(fù)合蓄熱材料的制備[J].工業(yè)加熱,2002,31(4)：20-22.

[2]葉宏,葛新石.一種定形相變材料的結(jié)構(gòu)和理化分析[J].太陽能學(xué)報(bào),2000,21(4)：417-421.

[3]姜勇,丁恩勇.相變儲(chǔ)能材料的研究進(jìn)展 [J].廣州化學(xué),1999(3)：48-54.

[4]Ciajolo MR..Solid-solid phase transition for thermal energy storage,thermal storage of solar energy.Glaze Chim Ital,1976,106～107.

[5]張仁元,柯秀芳,李愛菊.顯熱/潛熱復(fù)合儲(chǔ)能材料的研究[J].新能源,2000,22(12)：29-31.

[6]FELDMAN D,SHAPIRO M M,BANU D,et al.Fatty acids and their mixtures as phase change materials for thermal.

[7]Terry Claar D,etal.Composite Salt Ceramic Media for Thermal Energy Storage Application[A].In:Proceedings of 17th IECEC Meeting[C],1982,2043～2048.

Study on Properties ofNa2SO4/SIO2Composite Phase Change Energe Storage Material

LIU Liang-zhen
(Quanzhou Arts and Crafts Career Academy,Dehua,362500)

Phase change energy storage material has been prepared using SiO2as the ceramic matrix material,Na2SO4as phase change material,with the addition of pore-forming agent.Samples were obtained by granulation,molding,drying and sintering.The performances of the energy storage materials were investigated by DSC,XRD,SEM and TG.The results show that the NaSO4/SiO2ceramic matrix composite phase change energy storage material has good microstructure,thermal stability,thermal recycling and shape stability.It is a kind of energy storage material that can be widely used.

Phase change energy storage material;SiO2;Na2SO4;Ceramic pore forming agent;Performance

劉良珍，（女）學(xué)位：碩士 職稱：高校講師

項(xiàng)目來源：福建省教育廳科技項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：JA14433