摘要
近年来能源供需矛盾不断突出，而我国建筑能耗占全国能源消费总量的40％左右。建筑节能对解决能源供给短缺问题至关重要，推广被动式超低能耗建筑是我国建筑行业绿色可持续发展战略转型的重要举措。目前国内外热能贮存和温控领域技术需求持续升温，将石蜡封装在定形载体中制备相变复合储能材料，并作为储能媒介，对传统建筑材料进行功能转化研制储热水泥基材料。利用相变材料(PCM)的储能与放热特性，调节建筑内部环境温度，可以提升建筑热舒适性并增加能源的利用效率。然而储热水泥基材料作为一个复杂的多组分体系，其应用要求涉及到材料工作性能的诸多方面,仍有很大的提升空间。目前防止固-液PCM泄漏的封装技术，普遍制备成本高、控制难度大、工艺复杂;微胶囊相变复合材料(MPCM)仍存在芯-壳比率低，多次等热循环后的焓损失高，掺入水泥基材料后干扰水泥水化和增大水泥孔隙率导致其力学性能大幅下降;且目前大多数试验用于建筑物的PCM其峰值熔融温度约为20 ℃,已不适用于全球气候变暖的发展趋势等问题。根据文献调研发现SiO2气凝胶具有比表面积高、塑性强、耐高温和丰富的纳米孔隙。石蜡可以通过表面张力、毛细力、范德华力和氢键与气凝胶相互作用，这使得石蜡的包覆非常可行。但SiO2气凝胶较低的导热系数会降低储热材料的热能转换效率，碳纳米管(CNT)是高导热系数填料，研究表明，在相变体系中引入CNT不仅是提高导热系数的有效途径，还可以提高水泥强度。但目前关于这方面的研究较少，并且石蜡/SiO2气凝胶相变复合材料与水泥基材料的相互作用机理尚不清晰。 基于此，本文开展了以下研究内容:1)采用了 SiO2气凝胶包覆石蜡制备相变微胶囊(SiO2-MPCM)的简化方法，同时向SiO2-MPCM中引入多壁碳纳米管(MWCNT)制备了石蜡/气凝胶复合MWCNT微胶囊相变材料(SiO2-CMPCM),并利用硅烷偶联剂对相变微胶囊进行表面改性;2)采用液漏试验、结合微观测试手段，优选相变微胶囊最佳芯-壳比，并分析其微观结构。利用差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TGA)和高低温试验箱对相变微胶囊的储热性能、热稳定性和热耐久性进行了系统表征;3)将相变微胶囊掺入水泥基材料制备储热水泥(HSC),并优化制备方法。结合微观宏观测试手段，探究SiO2相变微胶囊对水泥基材料力学、水化反应特征和储热性能的影响规律及其机理。研究取得了以下成果和认识: （1）利用SiO2气凝胶采用一步搅拌法成功制备了相变微胶囊材料。气凝胶完整的包裹石蜡。当气凝胶与石蜡的质量比为22∶78时，相变微胶囊的吸附比最佳。改性SiO2-MPCM和SiO2-CMPCM具有适当的相变温度范围（20.8-34.4℃），峰值熔融温度分别为33.26 ℃和31.69 ℃，潜热分别为94.45 J/g和94.21 J/g，且在第1000次冻融循环后，其相变焓分别减少3.87％和3.45％。 （2）相变微胶囊会延长水泥水化时间，降低水化速率，并吸收水化热。掺入30％质量SiO2-MPCM的水泥石抗压强度降低至0.78 MPa,导热系数降幅为35.72％。通过对相变微胶囊的表面改性、提高养护温度和加入适量的MWCNT均有利于提高HSC的抗压强度。当表面改性SiO2-CMPCM的加量为30 wt.％时，40℃养护7d后HSC的抗压强度可达8.6MPa。与此同时，HSC的导热系数同比提高了 50.6％（相变微胶囊中掺入1.53％石蜡质量的MWCNT）。 （3）SiO2气凝胶与水化反应产物中的Ca（OH）2发生火山灰反应,提高了 HSC中C-S-H凝胶含量。随SiO2-MPCM比例的增加HSC孔隙率逐渐增大，最大孔隙率为47.81％,气孔（φ＞50μm）的占比增大，最大占比为16.83％。而相同加量下，SiO2-CMPCM则会细化HSC的孔径分布，孔隙率为37.23％,气孔占比为12.55％,改善HSC宏观力学性能。 （4）以力学强度和储热能力为指标优选了 HSC配方，并开展了 HSC板温度调节性能模拟试验。在升温和降温过程中，10mm厚储热水泥板内部的温度变化速率明显低于对照水泥板，最大温差低/高于对照水泥板2.36℃和1.92 ℃。说明HSC板在相变温度范围内能有效缓解温度波动。 本文完善了 SiO2相变微胶囊与水泥基材料相互作用机理的研究，提高了储热水泥基材料的抗压强度和导热系数。最终制备的储热水泥板在建筑热管理中具有较好的应用前景，助力建筑行业节能减排。
NETL