一种建筑维护用相变储热墙体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑墙体用相变储热维护材料技术领域，特别涉及一种建筑维护 用相变储热墙体材料及其制备方法。
背景技术
传统建筑一般只考虑建筑材料的隔热作用，没有充分利用其储热功能与保温效果，节能效果较差。为了提高建筑节能效果和能源利用效率，需要综合考虑隔热、传热、储热、保温等问题。现有节能建筑材料仅仅考虑材料的隔热能力，对储热能力缺乏研究。
为了克服单一保温隔热材料的储热密度低的问题，考虑将相变储热材料用于 建筑维护结构，可以显著提高维护材料的储热密度，进一步提高节能效率。相变 储热材料从一种状态转变到另一种状态时伴随着大量吸热或放热，利用这一功能 并把相变材料应用于建筑材料中，可以显著改善和调节建筑材料的隔热保温效 果。
文献1(叶荣达.水合无机盐/膨胀石墨复合相变材料应用于建筑围护结构的 实验与模拟研究[D].2019.)制备出了过冷度小，潜热大且热性能稳定的 CaCl2·6H2O/膨胀石墨(EG)复合相变材料。选用聚氯乙烯板对其进行封装制得 相变板，并与结构保温板墙体结构结合，搭建实验房间模型，评估房间热性能， 取得了良好的储热节能效果。但是水合盐作为相变储热材料易发生相分离，严重 降低储热密度。
文献2(Zhang H.,Xing F.,Cui H.-Z.,et al.A novel phase-change cementcomposite for thermal energy storage:Fabrication,thermal and mechanicalproperties[J].Applied Energy,2016,170:130-139.)通过将石墨掺杂的微胶囊相变 材料(FGD-MPCMs)与水泥结合制备了一种新型的相变水泥复合材料。结果表 明，球形微胶囊在水泥基体中具有良好的分散性；水泥在加入30％的相变材料 (RT28)后，抗压强度和抗弯强度仍可分别达到14.2和4.1MPa；红外热像图以 及模型房间试验结果表明，FGD-MPCMs复合材料具有降低室内温度波动的能 力，在建筑节能以及热舒适方面具有良好的应用前景。但是微胶囊作为水泥基材 料的相变储热材料，存在储热密度小和成本高的问题。
文献3(Zhang J.,Guan X.,Song X.,et al.Preparation andpropertiesofgypsum based energy storage materials with capric acid–palmitic acid/expanded perlite composite PCM[J].Energy and Buildings,2015,92:155-160.)采用真空浸渍法制备 了正癸酸-棕榈酸/膨胀珍珠岩复合相变材料，随后将该复合相变材料与石膏结合 制备出相变石膏板。结果表明，随着复合相变材料体积含量的增大，相变石膏板的储能能力变大，抗弯强度以及抗压强度减小，房间模型的温度波动变小。当相 变材料的体积量为40％时，与纯石膏板相比，相变石膏板的抗弯强度和抗压强度 分别降低56和40.4％，存在严重降低强度问题。
文献4(Memon S.A.,Cui H.,Zhang H.,et al.Utilization ofmacroencapsulated phase change materials for the development of thermal energystorage and structural lightweight aggregate concrete[J].Applied Energy,2015,139:43-55.)以多孔轻骨料 为支撑材料对石蜡进行吸附，并制备了具有室内温度控制功能的结构混凝土。从 室内的热性能测试发现含有相变材料的轻质骨料混凝土具有降低室内温度的作 用，从而降低能耗。但是混凝土材料结构致密、导热系数低，影响整体储热密度和换热效率。
专利1(杨宁.一种节能控温相变材料，专利申请号：CN201210355535.1) 开发了一种可用于建筑墙体的节能控温相变材料，其相变材料主剂为结晶水合 盐，通过添加熔点控制剂调节相变温度，通过添加成核剂控制过冷度在2-3℃范 围以内。但是长期使用中仍然存在相分离和过冷问题。
专利2(孙立贤,张焕芝,许庆阳,赵梓名,徐芬.一种相变蓄热智能控温墙 体材料及其制备方法,专利申请号：CN201110273000.5)采用常规室内建筑材料 为基体材料，以增强纤维作为力学增强材料复合而成。首先采用相变材料的微胶 囊封装技术，将相变潜热较大、相变温度恒定在室温范围内的固-液相变材料进 行包覆。然后，以石膏、水泥或混凝土为基体材料，微胶囊复合相变材料为智能 控温材料，通过复合、模压、成型工艺制备出具有较高相变控温特性和较好工作 循环稳定性的新型相变蓄热智能控温墙体材料。但是微胶囊材料成本高，制备工 艺复杂。
专利3(董晓,许博伟,陆娜,一种无机相变保温建筑材料的制备方法,CN201610540619.0)以十水合硫酸钠相变材料制得保温建筑材料，但是相变温 度略高于人体最佳适宜温度，而且水合盐长期使用会发生相分解。
专利4(张亚梅,余保英,一种相变节能建筑材料,CN200910031320.2)采用 固体石蜡、液体石蜡、轻质多孔颗粒材料、水泥、石墨、有机纤维制成薄板附于 建筑墙体中或与建筑材料直接混合使用，还可以做成混合料，根据需要再配水制 成任何形状，或者用于喷射建筑工程使用。但是该专利存在相变材料易泄露和导 热系数低的问题。
从上述文献和相关专利可知，现有用于建筑节能的相变储热材料主要有水合 盐和石蜡基有机材料，但是都存在一定的问题，如水合盐存在过冷度大，相变过 程中会发生相分离；而石蜡作为相变材料需要增加强化传热材料才能提高换热效 率。通过改性水合盐配方，可以在一定程度上缓解相分离和过冷问题，但是在长 期服役条件下，仍然不能克服相分离和过冷问题，严重降低储热性能。而采用石 蜡作为相变材料，虽然具有成本低的优势，与建筑材料复合后仍然存在导热能力 低的问题。
本发明采用吸附复合有机酸的改性陶粒作为骨料，利用碳化硅微粉提高储热 效率，聚苯颗粒是降低自重，进一步阻隔外部热量向室内的传递，钢渣砂和粉煤 灰可以降低储热系统成本并能进一步提高强度。本发明技术先进，可以获得性能 优异的相变储热建筑维护材料，克服了现有保温隔热维护材料的不足，具有广阔 的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种性能优异和成本适宜的相变储热用 建筑维护材料及其制备方法。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
一种建筑维护用相变储热墙体材料，所述相变储热墙体材料由吸附复合有机 酸的改性陶粒、碳化硅微粉、聚苯颗粒、水泥、粉煤灰和钢渣砂组成，然后将材 料按照一定的投料顺序加水搅拌后注入模具中，振动成型、养护、脱模即得；
上述方案中，各组分质量组成：用水量为35～50份、水泥为70～90份、粉煤 灰为10～30份、碳化硅微粉为5～10份、钢渣砂为150～200份、聚苯颗粒为50～80 份、吸附复合有机酸的改性陶粒为100～150份。
上述方案中，各材料：水泥为普通42.5硅酸盐水泥，粉煤灰为普通二级灰， 碳化硅微粉粒径为0～5mm，钢渣砂粒径为0～5mm，聚苯颗粒粒径约为4～6mm， 优选为5mm，陶粒粒径为5～20mm；
上述方案中，所述相变储热墙体维护材料的相变温度范围为25～30℃；
上述方案中，吸附复合有机酸的改性陶粒的制备工艺为：
(1)复合有机酸的制备：复合有机酸组成为正癸酸和硬脂酸，将两者按照 质量比75～80：20～25进行机械混合后，放入70～90℃烘箱中保温1.5～3h，优选 为2h，取出冷却后即得复合有机酸；
(2)改性陶粒的制备工艺：配置一定质量分数为的十六烷基三甲基溴化铵 的水溶液，将其加热到60～80℃，在此温度下将陶粒倒入溶液进行机械搅拌 40～80min，优选为60min，进一步过滤后放置在80～100℃下干燥8～12h，优选为 10h，即得到改性陶粒。其中，优选地，十六烷基三甲基溴化铵的水溶液的质量 分数为1wt.％。
(3)吸附复合有机酸的改性陶粒：将复合有机酸放入容器加热熔化保温， 然后将改性陶粒直接投入溶液中静置一定时间，优选为30s，然后进行过滤即得 吸附复合有机酸的改性陶粒。优选地，复合有机酸的加热温度为50℃。
本发明还提供一种建筑维护用相变储热墙体材料的制备方法：
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌2-5min，然后加入碳化 硅微粉、钢渣砂和水搅拌2-5min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌 0.5-2min，倒入模具中，振动成型，放置于阴凉条件下养护即得建筑维护用的相 变储热保温材料。
优选地，上述的一种建筑维护用相变储热墙体材料的制备方法：先将聚苯颗 粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅微粉、钢渣砂和 水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min，倒入模具中，振 动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维护材料。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
其一、本发明的创新之处在于采用吸附复合有机酸的改性陶粒作为骨料，该 复合有机酸作为相变蓄热材料，相较于石蜡材料，在几乎不降低储热密度条件下 通过调整有机酸的配比可以得到；人体最适宜的相变温度25～30℃，提高住宅舒 适度；采用改性陶粒作为多孔吸附材料，可以获得更高的储热密度并且相变过程 中不易泄露。
其二、聚苯颗粒作为骨料可以降低维护材料的自重，适用于装配式建筑，并 能大幅降低外界环境温度的影响。采用碳化硅微粉可以提高强度和换热效率。两 者结合可以提升系统的节能效果。
其三、采用钢渣砂替代传统砂子和粉煤灰替代部分水泥，符合国家环保要求 并能废物利用，降低成本，并且可以提升部分换热效率。
其四、采用十六烷基三甲基溴化铵对陶粒进行活化，可以进一步提高陶粒对 有机酸的吸附能力和吸附稳定性，从而得到性能更佳的复合相变储热材料。
其五、工艺简单，整个制备过程选用的原材料简单，充分利用了材料的特点， 无需过多变更现有生产设备就可以快速合成性能优异和成本较低的相变储热维 护材料。
总之，本发明工艺简单，操作方便，无需过多变更现有生产设备，并且所制 备的建筑用相变维护储热材料具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为空白陶粒图；
图2为吸附有机酸后的改性陶粒图。
具体实施方式
实施例1
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为75：25，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为35份，水泥 为70份，粉煤灰为30份，碳化硅微粉为10份，钢渣砂为150份，聚苯颗粒为 50份，吸附复合有机酸的改性陶粒为100份。实验发现，只有正癸酸有此作用。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为45.6J/g，凝固放热焓为43.8J/g，热导率为1.14W/(m.K)，比热容 为0.80J/g，28d龄期的抗压强度为28.6MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好 的热物理性能。
实施例2
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为80：20，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为35份，水泥 为70份，粉煤灰为30份，碳化硅微粉为10份，钢渣砂为150份，聚苯颗粒为 50份，吸附复合有机酸的改性陶粒为100份。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为39.7J/g，凝固放热焓为36.7J/g，热导率为1.13W/(m.K)，比热容 为0.77J/g，28d龄期的抗压强度为28.8MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好 的热物理性能。
实施例3
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为78：22，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为35份，水泥 为70份，粉煤灰为30份，碳化硅微粉为10份，钢渣砂为150份，聚苯颗粒为 50份，吸附复合有机酸的改性陶粒为100份。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为43.7J/g，凝固放热焓为41.3J/g，热导率为1.14W/(m.K)，比热容为 0.78J/g，28d龄期的抗压强度为28.7MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好的 热物理性能。
实施例4
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为78：22，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为35份，水泥 为90份，粉煤灰为10份，碳化硅微粉为5份，钢渣砂为150份，聚苯颗粒为 80份，吸附复合有机酸的改性陶粒为100份。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为41.6J/g，凝固放热焓为39.8J/g，热导率为1.15W/(m.K)，比热容为 0.75J/g，28d龄期的抗压强度为28.6MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好的 热物理性能。
实施例5
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为78：22，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为40份，水泥 为80份，粉煤灰为20份，碳化硅微粉为8份，钢渣砂为200份，聚苯颗粒为 60份，吸附复合有机酸的改性陶粒为120份。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为43.3J/g，凝固放热焓为41.4J/g，热导率为1.22W/(m.K)，比热容为 0.77J/g，28d龄期的抗压强度为24.6MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好的 热物理性能。
实施例6
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为78：22，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为40份，水泥 为80份，粉煤灰为20份，碳化硅微粉为8份，钢渣砂为150份，聚苯颗粒为60份，吸附复合有机酸的改性陶粒为120份。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为42.8J/g，凝固放热焓为40.7J/g，热导率为1.14W/(m.K)，比热容为 0.79J/g，28d龄期的抗压强度为23.9MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好的 热物理性能。
实施例7
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为78：22，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为45份，水泥 为70份，粉煤灰为30份，碳化硅微粉为5份，钢渣砂为180份，聚苯颗粒为 50份，吸附复合有机酸的改性陶粒为135份。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为47.6J/g，凝固放热焓为45.7J/g，热导率为1.18W/(m.K)，比热容为 0.81J/g，28d龄期的抗压强度为21.7MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好的 热物理性能。
实施例8
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为78：22，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为45份，水泥 为70份，粉煤灰为30份，碳化硅微粉为10份，钢渣砂为180份，聚苯颗粒为 70份，吸附复合有机酸的改性陶粒为135份。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为47.7J/g，凝固放热焓为45.6J/g，热导率为1.19W/(m.K)，比热容为 0.81J/g，28d龄期的抗压强度为21.8MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好的 热物理性能。
实施例9
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为78：22，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为50份，水泥 为90份，粉煤灰为10份，碳化硅微粉为10份，钢渣砂为180份，聚苯颗粒为 70份，吸附复合有机酸的改性陶粒为150份。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为50.7J/g，凝固放热焓为48.5J/g，热导率为1.17W/(m.K)，比热容为 0.85J/g，28d龄期的抗压强度为18.8MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好的 热物理性能。
实施例10
将复合有机酸：正癸酸和硬脂酸，两者质量比为78：22，进行机械混合后， 放入70～90℃烘箱中保温2h，待其完全融化后取出待用。进一步将复合有机酸放 入容器加热到50℃熔化保温，然后将改性陶粒直接投入溶液中静置30s，然后进 行过滤即得吸附复合有机酸的改性陶粒。按照质量比选取用水量为50份，水泥 为90份，粉煤灰为10份，碳化硅微粉为5份，钢渣砂为150份，聚苯颗粒为 80份，吸附复合有机酸的改性陶粒为100份。
先将聚苯颗粒和水泥、粉煤灰一起投入搅拌机搅拌3min，然后加入碳化硅 微粉、钢渣砂和水搅拌3min，接着加入吸附复合有机酸的改性陶粒搅拌1min， 倒入模具中，振动成型，放置于20℃阴凉条件下养护即得建筑用的相变储热维 护材料。采用Hot Disc公司2500S型热常数分析仪测得，复合相变蓄热材料的 熔化吸热焓为41.6J/g，凝固放热焓为39.8J/g，热导率为1.15W/(m.K)，比热容为 0.75J/g，28d龄期的抗压强度为19.6MPa，该相变储热建筑维护材料具有良好的 热物理性能。相对于作为显热材料的普通加气混凝土墙体材料，该材料具有高储 热密度，高换热效率和高单位体积内的比热容，显著的储热能力。
表1各实施例配比参数及测试结果
