石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料的制備及季節適應性研究

楊琨馬立

摘要：以石蠟與白油混合制成的復合相變石蠟作為相變主體材料，以不同質量分數的膨脹石墨作載體材料，應用熔融共混方法，制備出5種不同比例的復合定形相變材料，對其進行吸附性能、熱物性能測試，確定了復合定形相變材料的最優配比，并采用數值模擬方法研究該復合定形相變材料在冬、夏兩季的適應性。結果表明：復合定形相變材料的最優配比為：膨脹石墨的質量分數為7% ， 復合相變石蠟的質量分數為93% ， 復合相變石蠟中52#切片石蠟與3#白油質量比為55∶45;該配比復合定形相變材料的相變溫度為27.5℃ ， 相變潛熱為83.56 J/g ， 質量損失率為2.12% ， 導熱系數為0.5316 W·m -1·K-1;作為建筑外墻材料時，該復合定形相變材料能夠平緩峰谷熱流、減小溫度波動，且在夏季的適應性強于冬季。研制的石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料有望作為建筑調溫相變材料在夏熱冬冷地區應用。

關鍵詞：石蠟膨脹石墨相變材料季節適應性

中圖分類號：TB34? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-8755（2024）01-0051-09

Preparation and Seasonal Adaptability of Paraffin/Expanded Graphite Composite Shaped Phase Change Materials

YANG Kun ， MA Li

（School ofCivil Engineering and Architecture ， Southwest University ofScience and Technology ，Mianyang 621010 ， Sichuan ， China ）

Abstract： Through the melt mixing process ， five different ratios of composite shaped phase change materials were prepared. The main phase change material was paraffin combined with white oil ， and the carrier material was expanded graphite with various mass fractions . The optimal ratio of composite shaped phase change materials was identified through adsorption performance and thermophysical performance tests . Numerical simulation method was used to study the adaptability of the composite shaped phase change material in winter and summer. The results show that the ideal composition of composite shaped phase change materials is 7% expanded graphite and 93% composite phase change paraffin. The mass ratio of 52# slice paraffin to 3# white oil in composite phase change paraffin is 55∶45. Phase change temperature is 27.5 ℃ ， latent heat of phase change is 83.56 J/g ， mass loss rate is 2.12% ， and thermal conductivity is 0.5316 W·m -1·K -1. When used as a building facade material ， composite shaped phase change materials can smooth out peak and valley heat flows ， reduce indoor temperature fluctuations ， and be more adaptable in summer than in winter. Paraffin/expanded graphite composite shaped phase change materials are expec- ted to be used as building thermoregulation phase change materials for hot summer and cold winter regions .Keywords ： Paraffin; Expanded graphite; Phase change materials; Seasonal adaptation

相變儲能作為一種新型的熱能儲存技術，對“雙碳”綠色發展目標的實現具有重要意義[1-2]。相變儲能技術利用相變材料吸收和釋放潛熱的相變過程，以此完成能量的存儲與釋放[3-4]。相變材料儲能密度高、應用范圍廣，且在相變過程中溫度幾乎恒定，是目前儲能技術領域的重點研究目標[5-7]。在建筑儲能領域，添加相變材料可以提升建筑材料的調溫性能，提高室內環境舒適度。因為石蠟具有熔點范圍廣、相變潛熱大、造價低等優點，常作為相變材料應用于建筑儲能領域[8-9]。但采用石蠟儲存熱能具有導熱系數較小、吸收和釋放潛熱的速度緩慢等缺點，且石蠟在相變過程中固、液態體積差較大，易出現滲漏現象[10-12]。將石蠟與穩定的載體材料結合，形成復合定形相變材料，能夠有效解決石蠟的缺點，改善儲、放熱性能。

膨脹石墨（ Expanded graphite ， EG）作為定形相變材料的載體材料，具有吸附性強、導熱性高、價格低廉等顯著優勢，因此國內外學者圍繞膨脹石墨對復合相變材料性能的影響展開了大量研究。Qureshi 等[13]研究了高導熱的金屬、碳基納米顆粒、金屬泡沫、膨脹石墨對相變材料熱導率的影響，結果表明膨脹石墨具有較高的熱導率和良好的熱物理性能。Venkatesan 等[14]將不同比例的膨脹石墨與純石蠟混合，研究膨脹石墨對石蠟熱導率的影響，發現膨脹石墨可以增大熱導率和熱擴散率，且減少了相變石蠟的泄漏。徐眾等[15]將石蠟、十六酸和硬脂酸3種相變材料分別與膨脹石墨進行復合制備，并對制備后的3種相變材料的熱－電性能進行測試，結果發現3種相變材料的熱導率均增大，質量損失率均減小。閆嘉森[16]制備了一種復合相變石蠟，導熱和載體材料采用了膨脹石墨，同時對該復合相變材料的相變潛熱、導熱性影響因素進行了研究，結果發現膨脹石墨的添加量對該復合相變材料的相變潛熱無明顯影響，但導熱性明顯增強。

現有的研究結果表明添加膨脹石墨可以提高相變石蠟的熱導率，利于相變石蠟泄漏率的降低。但是關于石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料作為建筑外墻材料時對不同季節適應性效果的研究較少。即在不同季節工況下，石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料添加在建筑外墻中的調溫有效性研究較少。本文以石蠟與白油混合制成的復合相變石蠟作為相變主體材料，以不同質量分數的膨脹石墨作為載體材料，采用熔融共混法制備出相變溫度適宜夏熱冬冷地區的石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料；通過對不同比例復合定形相變材料的吸附性、熱物性進行實驗測試與分析，確定該復合定形相變材料的最優配比；采用數值模擬方法，研究最優配比復合定形相變材料作為建筑外墻材料在冬、夏兩季的適應性。本文旨在為夏熱冬冷地區的建筑調溫相變材料的選用提供參考。

1 實驗研究

1.1 實驗材料

52#切片石蠟，白色固體塊狀物，熔點52～54℃ ， 上海華靈康復機械廠；3#白油，閃點110℃ ， 中國石油化工股份有限公司；膨脹石墨，粒度80目（180μm） ， 膨脹倍率300 mL/g ， 青島騰盛達碳素機械有限公司。

1.2 測試儀器

超級恒溫水浴鍋（601A 型），常州諾基儀器有限公司；差示掃描量熱儀（DSC Q2000型），美國 TA 儀器公司；導熱系數儀（ TC3000E 型），測量范圍0.001～10 W·m -1·K-1 ， 準確度±3% ， 西安夏溪電子科技有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱（ DGG -9140A 型），蘇州江東精密儀器有限公司；電子天平（UTP -313型），精度為0.001 g ， 上?；ǔ彪娖饔邢薰?。

1.3 復合定形相變材料的制備

1.3.1 相變溫度的確定

相變溫度是影響相變儲能墻體傳熱過程的主要因素，而相變溫度的選擇與當地氣候條件相關。因此，選取相變溫度時應充分考慮室外空氣干球溫度和太陽輻射的綜合影響，即室外空氣綜合溫度的影響。建筑相變材料的適宜相變溫度區間為20.0～32.0℃。

本文以夏熱冬冷地區綿陽市為例，按照《民用建筑熱工設計規范》（ GB 50176—2016）規定，根據式（1）計算室外空氣綜合溫度，計算結果如圖1所示。

式中：Tse為室外空氣綜合溫度，℃;Te為室外空氣干球溫度，℃;ρs 為太陽輻射吸收系數；I 為太陽輻射強度，W/m2;αe 為外壁面換熱系數，夏季為19 W/（ m2·K） ， 冬季為23 W/（ m2·K）。

從圖1（ a ）可知，綿陽市夏季6月-8月的平均室外空氣綜合溫度為30.3℃;從圖1（b）可知，綿陽市冬季12月-2月室外空氣綜合溫度為8.1℃。相變材料要應用于夏熱冬冷地區室內調溫，在夏季實現白天吸熱、夜間放熱的相態變化，相變溫度需低于30.3℃ ， 且應該接近夏季室內熱舒適溫度范圍26.0～28.0 ℃;冬季利用相變墻體向室內放熱，實現室內溫度調控，則相變材料的相變溫度需高于8.1℃ ， 且應該接近冬季室內熱舒適溫度范圍18.0～22.0℃。綜合考慮以上溫差傳熱條件，并參考建筑相變材料的適宜相變溫度區間20.0～32.0℃ ， 本文擬制備的相變材料的相變溫度設計在27.0℃ ， 該相變溫度可以發揮相變材料節約能源的優勢，使相變材料在夏季不易一直處于熔融狀態。

1.3.2 制備方法

本文選用化學穩定性好、成本較低的52#切片石蠟和3#白油熔融混合制備出復合相變石蠟。為提高相變材料的導熱性，有效減少相變材料的泄漏量，采用膨脹石墨為支撐載體材料，與復合相變石蠟加熱熔融混合，制備出膨脹石墨質量分數分別為0% ， 3% ， 5% ， 7% ， 9%的5種復合定形相變材料。相變材料的物性參數見表1 ， 復合定形相變材料的配比如表2所示，實驗制備流程如圖2所示。

（1）制備復合相變石蠟。用電子天平分別稱取一定質量的石蠟和白油（52#切片石蠟與3#白油的質量比為55∶45） ， 每個復合相變石蠟試樣總質量均為10 g ， 制備5組試樣，重復3次，共制備15個試樣，將稱取后的試樣放入燒杯中，在80℃的超級恒溫水浴鍋中進行熔融攪拌處理，每個樣本攪拌時間為10 min 。

（2）制備石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料。按照表2的材料配比，在分組試樣中分別加入不同含量膨脹石墨，攪拌30 min 后等待混合物試樣冷卻凝固，最后標記試樣，形成復合定形相變材料顆粒。制備完成的相變材料實物如圖3所示。

1.4 復合定形相變材料的吸附性能

1.4.1 相變材料的質量損失率測試

相變材料的質量損失率越大，則吸附能力越弱；相反，如果損失率越小，則表明該質量分數的膨脹石墨對相變石蠟的吸附性越強。因此通過質量損失率測試可分析相變材料的吸附性能。

將 EG 質量分數為3% ， 5% ， 7% ， 9%的石蠟/膨脹石墨復合定形相變材料抽取等量的 m0 ， 將樣品放入燒杯中，再將燒杯置于電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥，溫度為60℃ ， 干燥時間2 h 。本試驗每組質量分數的相變材料各設置3個樣本。加熱結束后取出燒杯，采用電子天平稱量干燥后的復合定形相變材料質量 m1 ， 并計算出復合定形相變材料的質量損失率η。計算公式如式（2）所示[15]：

式中：η為復合定形相變材料的質量損失率，%;m0為干燥前復合定形相變材料的質量，g;m1 為干燥后復合定形相變材料的質量，g。

質量損失率計算結果如表3、圖5所示。

1.4.2 吸附性能分析

根據測試結果表3、圖5可以發現：EG 質量分數增大時，η呈下降趨勢，表明 EG 對石蠟的吸附能力增強；EG 質量分數為7%～9%時質量損失率較低，其中 EG 質量分數為9%時，質量損失率最低，為0.83%;EG 質量分數為7%時，質量損失率為2.12% ， 其吸附能力是 EG 質量分數3%復合定形相變材料的2.3倍。復合定形相變材料質量損失率下降的原因是：膨脹石墨質量分數不斷增加，更多相變石蠟被吸附進膨脹石墨的內部孔隙中，并在毛細管力的作用下降低相變石蠟的泄漏率，有效提升了復合定形相變材料的熱穩定性能。

1.5 復合定形相變材料的熱穩定性能

1.5.1 熱穩定性能測試

根據文獻[17]中相變材料熱穩定性分析方法進行熱穩定性能測試。

將每種復合定形相變材料設3個質量為 10.000 g 的樣本放于燒杯后，采用60℃干燥箱加熱，吸熱30 min 后，將樣品置于室溫下放熱30 min 。每次循環包括1次吸熱與放熱，每3次循環稱重1 次，共循環30次，并計算出循環30次后的質量損失。

1.5.2 熱穩定性能結果分析

取每種復合定形相變材料的3個樣本的平均質量為測試結果，得到復合定形相變材料的質量隨吸／放熱循環次數變化關系，結果見圖4。

從圖4可以看出，多次吸／放熱循環后，EG 含量越多時，復合定形相變材料質量變化越小，即質量變化曲線越平緩。計算得到4種相變材料熱循環質量損失均小于0.340 g ， 其中 EG 質量分數7%與9%時熱循環質量損失接近，為0.270 g ， 其熱穩定性好于另外兩種配比。原因是 EG 含量增大時，其導熱系數與相變材料的熱膨脹系數匹配性增強，有助于提高復合相變材料在相變過程中的熱能分散和應力緩解效果，更利于相變材料的持久使用。

1.6 復合定形相變材料的導熱性能

采用導熱系數儀測試復合定形相變材料的導熱系數，每種配比設置3個樣本，測試完成后，取每種復合定形相變材料的3個樣本的平均導熱系數λ作為測試結果，其結果如圖5所示。

從圖5可以看出，含膨脹石墨 EG 的復合定形相變材料均比不添加 EG 的復合定形相變材料導熱系數高；EG 質量分數為3%～7%時，復合定形相變材料導熱系數呈現上升趨勢，EG 質量分數3%時導熱系數最小，為0.2798 W·m -1·K-1 ， 是不含 EG 的復合石蠟的1.3倍，EG 質量分數7%時導熱系數最大，為0.5316 W·m -1·K-1 ， 是不含 EG 的復合石蠟導熱系數的2.5倍；EG 質量分數超過7%時導熱系數減小。EG 質量分數增加，導熱系數先增大后減小的原因是：膨脹石墨具有大量的網狀孔隙結構，在導熱過程中可以與石蠟充分接觸，使得導熱性能增強。然而，當膨脹石墨的質量分數較大時，不能保證復合定形相變顆粒大小均勻，從而影響熱量傳輸，導致導熱系數減小。

綜合吸附性能、導熱性能與熱穩定性能的實驗結果，確定 EG 質量分數為7%的復合定形相變材料最優。通過多次實驗測試，該配比下復合定形相變材料的導熱系數為0.5316 W·m -1·K-1 ， 質量損失率為2.12%。

1.7 復合定形相變材料的熱重分析

采用差式掃描量熱儀（DSC）進行相變溫度和相變潛熱測試。實驗所設條件為：氮氣流速50 mL/min ， 溫度范圍0～60℃ ， 溫升速率2℃/min 。

以 EG 質量分數為7%的復合定形相變材料為樣本，抽取3個樣本，每個試樣分別稱取4 mg ， 進行多次測試，并從 DSC 配套軟件中得到曲線，分析曲線得出相變溫度為27.5℃、相變潛熱為83.56 J/g。

EG 質量分數為7%的復合定形相變材料的 DSC 曲線如圖6所示。圖中 DSC 曲線向下的峰是溫度降低形成的峰，為放熱峰，曲線向上的峰是溫度升高形成的峰，為吸熱峰。該復合定形相變材料與純石蠟相比，相變溫度、相變潛熱均明顯減小。文獻[18-19]表明，由于膨脹石墨的添加加快了復合定形相變材料內部的熱量傳遞速度，導致復合定形相變材料的相變溫度降低；在升溫過程中，膨脹石墨吸收熱量而不進行相變，導致熱量減少，且膨脹石墨增大了無效相變儲熱材料的占比，使得相變潛熱降低。

2 數值模擬分析

本節以相變墻板內表面隨室外溫度變化的傳熱特性為分析目標，研究制備的復合定形相變材料作為建筑外墻材料時在冬、夏兩季的適應性效果。

2.1 物理模型

建立大小相同的普通墻板與相變墻板兩種模型，對兩塊墻板的熱特性進行數值模擬分析和對比。其中普通墻板從室外到室內側，由30 mm 擠塑保溫板與70 mm 水泥砂漿層組成；相變墻板從室外側向室內側依次由30 mm 擠塑保溫板、20 mm 水泥砂漿層、30 mm 相變材料層、20 mm 水泥砂漿層組成，兩種墻板總厚度相同，均為100 mm ， 高度相同，均為1000 mm ， 兩種墻板物理模型如圖7所示。

2.2 數學模型的建立

為實現數值模擬計算的簡便性，對相變墻板模型進行合理簡化，并作如下假設：（1）熱量只沿著 X ， Y 方向傳導，即將墻板傳熱視為二維非穩態傳熱；（2）墻板為復合墻板，各構成層材料均具有各向同性，且各層材料緊密結合，無接觸熱阻；（3）假設相變材料液態與固態的物性參數相同；（4）不考慮相變材料熔化為液態時其發生自然對流傳熱；（5）室內側對流換熱系數為恒定值，無內擾因素，假設其他內表面溫度與室內溫度相等；（6）外側墻板考慮室外空氣溫度和太陽輻射的綜合作用，即室外空氣綜合溫度的作用。

2.2.1 控制方程

利用焓法模型，建立相變墻板各構造層的二維非穩態能量控制方程：

式中：ρi為各層材料密度，kg/m3;Hi 為各層材料的焓值，kJ/kg;τ為時間，s;λi為各層材料的導熱系數，W·m -1·K-1;Ti 為各層材料的溫度，℃。各層材料的焓值與材料的定壓比熱容和溫度相關，其計算方法按照文獻[20]進行確定。

2.2.2 初始條件

初始時刻，墻板溫度與室內設計溫度相等，表示為：

式中 T0 為墻板初始溫度，℃。

2.2.3 邊界條件

墻板上、下兩側邊界絕熱：

墻板外表面：

墻板內表面：

式中：λA ， λE 分別為墻板外表面和墻板內表面的導熱系數，W·m -1·K-1;TA 為墻板外表面溫度，℃;TE 為墻板內表面溫度，℃;h w ， h n 分別為墻板外、內表面的對流換熱系數，W/（ m2 ·K）;Tw ， Tn 分別為室外、室內空氣溫度，℃。

2.3 計算參數的設定

本文利用 ANSYS 軟件對如圖7所示的普通墻板與相變墻板在冬、夏兩季的傳熱特性進行數值模擬計算，其模擬周期為24 h 。

計算參數設定為：假定室內溫度和其他非加熱表面溫度恒定，根據夏熱冬冷地區室內熱舒適溫度要求，把夏季室內設計溫度恒定為26℃ ， 冬季室內設計溫度恒定為20℃ ， 墻板初始溫度與室內設計溫度相等。夏季室外溫度選取綿陽市最熱日當天的逐時室外空氣綜合溫度，由式（1）計算得到該日平均室外空氣綜合溫度為37.5 ℃。冬季室外溫度選取綿陽市最冷日當天的逐時室外空氣綜合溫度，計算得到該日平均室外空氣綜合溫度為4.9℃。墻板內表面對流換熱系數取8.7 W/（ m2·K） ， 墻板外表面對流換熱系數夏季19 W/（ m2·K）、冬季23 W/（ m2·K）。

墻板各層材料的物性參數見表4 ， 其中相變材料層為上述實驗制備的最優配比相變材料，即 EG 質量分數為7%的復合定形相變材料。

2.4 模擬結果及分析

將冬、夏季逐時室外空氣綜合溫度加載至相變墻板與普通墻板的外表面，即擠塑保溫板外側表面，模擬計算得到兩墻板內表面的溫度、熱流量變化情況，通過對比普通墻板與相變墻板的傳熱特性差異，可以得出相變材料在冬、夏兩季的調溫有效性，模擬結果見圖8、圖9。

由圖8、圖9可知，相變材料作為建筑外墻材料時對墻板傳熱性能具有一定影響。

夏季，普通墻板的內表面平均溫度為26.7 ℃、平均熱流為8.4 W/m2 ， 最高溫度為27.7 ℃、最大熱流量為19.6 W/m2 ， 處于該溫度、熱流量時間為17 h; 相變墻板的內表面平均溫度為26.4℃、平均熱流為5.6 W/m2 ， 最高溫度為26.9℃、最大熱流量為10.5 W/m2 ， 處于該溫度、熱流量時間為19 h 。相變墻板內表面溫度波動幅度相比普通墻板減小0.8℃、內表面最高溫度與最大熱流相較延遲2 h、內表面平均溫度降低0.3℃、平均熱流量降低33% ， 即相變墻板內表面溫度和熱流量相較于普通墻板出現了明顯的衰減與延遲。分析其原因是：在夏季，隨室外溫度升高，相變墻板發生相變，相變材料吸收熱量并保持墻板內表面溫度基本穩定；完成相變后，相變材料開始釋放熱量，墻面溫度略微降低，這一相變過程造成了溫度和熱流的延遲與衰減；相變墻板的熱阻大于普通墻板，使得溫度和熱流延遲衰減效果更明顯。

冬季，普通墻板的內表面平均溫度為19.1 ℃、平均熱流為9.9 W/m2 ， 最低溫度為18.7℃、最大熱流量為13.7 W/m2 ， 處于該溫度、熱流量時間為10 h; 相變墻板冬季的內表面平均溫度為19.1℃、平均熱流為10.0 W/m2 ， 最低溫度為18.6 ℃、最大熱流量為14.0 W/m2 ， 處于該溫度、熱流量時間為10 h 。相變墻板內表面最大熱流量相比普通墻板上升0.3 W/m2 ， 平均熱流量升高1%?？梢钥闯?，相變墻板內表面溫度和熱流量的變化同普通墻板無明顯差異。分析其原因是：室外溫度選擇了冬季最冷日的逐時溫度，在該工況下相變材料的潛熱釋熱達到極限，并且無法通過吸收熱量來保持墻板內表面溫度，無法較好地降低峰谷熱流、不能充分利用好相變潛熱空間，致使相變墻板熱性能同普通外保溫墻板相比無明顯優勢。

綜上所述，EG 質量分數7%的石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料作為建筑外墻材料時能夠平緩峰谷熱流、降低室內溫度波動，提高建筑物的熱舒適性，且該相變材料在夏季的適應性強于冬季。

3 結論

本文以石蠟與白油混合制成的復合相變石蠟作為相變主體材料，以不同質量分數的膨脹石墨作為載體材料，采用熔融共混法制備5種不同比例的石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料，通過對5種復合定形相變材料進行吸附性能分析、熱性能分析，確定出復合定形相變材料的最優配比，并采用數值模擬方法研究了該復合定形相變材料作為建筑外墻材料時在冬、夏季節的適應性，得到如下結論：（1）通過吸附性能、熱穩定性和導熱性能的實驗分析，確定石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料的最優配比為：膨脹石墨質量分數7% ， 52#切片石蠟與3#白油質量比55∶45。該相變材料的相變溫度為27.5℃ ， 相變潛熱為83.56 J/g ， 質量損失率為2.12% ， 導熱系數為0.5316 W·m -1·K-1。（2）EG 質量分數7%的石蠟/膨脹石墨復合定形相變材料作為建筑外墻材料時能夠平緩峰谷熱流、降低室內溫度波動，提高建筑物的熱舒適性，且該相變材料在夏季的適應性強于冬季。

本研究制備的石蠟／膨脹石墨復合定形相變材料有望作為建筑調溫相變材料在夏熱冬冷地區應用，但對其應用的適應性，僅開展了數值模擬，有待進一步進行實驗及應用研究。

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