研究突破：新型复合相变砂浆，性能优势究竟在哪里？

综合考虑相变温度、过冷度和相变焓值，本文选取 80% Na2HPO4·12H2O-20% Na2SO4·10H2O 二元混合熔融盐作为最佳配比进行进一步研究，该体系相变温度为 28.1 ℃，相变焓为 229.1 J/g，热性能较好，过冷度为 9.19 ℃，相比纯 Na2HPO4·12H2O 减小了 5.08 ℃。

虽然 Na2SO4·10H2O 达到了成核剂的效果，但在实际应用中，这一过冷度仍然偏大，因此还需要添加 成 核 剂 减 小 过 冷 度 。成 核 剂 在 水 合 盐 类 和 纳 米 粒 子 类 中 选 择 ， 本 研 究 探 讨 了 九 水 硅 酸 钠

(Na2SiO3·9H2O)、硼砂(Na2B4O3·10H2O)和纳米氧化铝(Al2O3)对过冷度的影响。

图 5 为不同成核剂在不同质量分数下共晶盐相变材料的过冷度柱状图。可以看到，过冷度随成核剂质量分数的变化是非线性的，因为成核剂含量过少时，成核效果不明显，共晶盐相变材料过冷度仍然较高，但若成核剂含量过多，过多的成核剂会沉积在溶液底部，使得有效成核面积减小，不利于过冷度的减小[19]。由图可得，添加 2% Na2SiO3·9H2O 对共晶盐过冷度的改善效果最佳，为 3.25 ℃。因此，在后续实验中采用 2%的 Na2SiO3·9H2O 作为成核剂制备共晶盐相变材料。

在实际使用过程中，相变材料的热物性可能会随着热力循环次数的增长而发生明显的变化，影响其使用寿命，为了探究该相变体系在经过多次热循环后的热稳定性，对上述实验制备的共晶盐相变材料进行了 50 次的熔化-凝固循环实验，分别对不同循环次数的样品进行 DSC 测试。图 6 展示了不同循环次数后的共晶盐相变材料相变参数变化，从结果中可以看到，经过 50 次熔化-凝固循环后，相变温度有略微的下降，在可接受范围内，相变焓值从循环前的 212.5 J/g 降至 209.1 J/g，相变潜热的损失可以忽略不计。该共晶盐相变材料在多次循环后维持其原本的相变性能，参数衰减很小，有着优异的循环热稳定性、可持续使用性和较长的使用寿命，适合应用于需要经常发生相变吸热/放热的建筑场合，具备良好的使用前景。

2.2 定型复合相变材料性能分析

本研究通过真空吸附法制备了Na2SO4·10H2O-Na2HPO4·12H2O/膨胀珍珠岩定型复合相变材料。膨胀珍珠岩分为三种粒径尺寸：2~2.5 mm、1.5~2 mm 和 1~1.5 mm，图 7 为三种粒径的膨胀珍珠岩实物。制备时膨胀珍珠岩的粒径尺寸对吸附率有着明显的影响。实验发现，膨胀珍珠岩粒径的减小有助于容纳更多的相变材料，这是因为粒径的减小有助于内部孔隙的暴露，使得相变材料更容易被吸附。然而，膨胀珍珠岩粒径越小，对相变材料的定型效果越差，会发生严重的泄露现象。因此综合吸附效果、相变材料吸附量和泄露性能这三个评价指标，选择 2~2.5 mm 的膨胀珍珠岩作为多孔吸附材料，它对相变材料的吸附率可以达到 92%，泄露实验后得到质量损失率为 1.97%。

图 8 为共晶盐相变材料与定型复合相变材料的 DSC 曲线，其中共晶盐相变材料相变温度和相变焓分别为 27.04 ℃和 214.1 J/g，定型复合相变温度和相变焓分别为 24.85 ℃和 156.7 J/g。与共晶盐相变材料相比，定型复合相变材料吸热峰减小，峰形向左移动，且相变焓值减少了 57.4 J/g，这是由于膨胀珍珠岩在测试温度范围内没有释放潜热。

图 9 展示了膨胀珍珠岩、共晶盐相变材料和定型复合相变材料的 FT-IR 谱。其中，共晶盐相变材料和定型复合相变材料在 2700~3800 cm-1 和 1550~1780 cm-1 范围内存在一个宽而强的吸收峰以及一个尖峰，分别对应由氢键产生的 H-O 不对称伸缩振动和 H-O-H 的弯曲振动。共晶盐相变材料在 1086 cm-1、985 cm-1和 867 cm-1的特征吸收峰为 HPO42-中的 P-O(H)各种伸缩振动，其中包括 P-O 反对称伸缩振动(vas)、P-O 对称伸缩振动(vs)和 P-OH 反对称伸缩振动(vas)；在 619 cm-1 和 531 cm-1 处的特征吸收峰为SO42-中的 S-O 伸缩振动。膨胀珍珠岩在 1059 cm-1和 791 cm-1处的特征吸收峰分别为 Si-O-Si 不对称伸缩振动和 Si-O-Si 对称伸缩振动。定型复合相变材料在 3468 cm-1、1634 cm-1、1086 cm-1、985 cm-1、867 cm-1、619 cm-1h 和 531 cm-1处均有特征吸收峰，明显可以看到，其峰位由共晶盐相变材料和膨胀珍珠岩相叠加而成，峰位的移动很小，也没有产生新的特征峰或失去旧的特征峰，说明没有新的官能团生成或失去旧的官能团，证明共晶盐相变材料与膨胀珍珠岩的复合过程仅为物理混合吸附，没有发生化学反应，产生新的物质。

图 10 展示了膨胀珍珠岩及定型复合相变材料在 100 和 1k 放大倍数下的放大倍数照片，100 倍数时，可以看到膨胀珍珠岩外部为蜂窝状结构，1k 倍数时，可以看到其内部为光滑的致密片状结构，由此可以得到膨胀珍珠岩具有较大的比表面积，适合作为多孔吸附材料。从定型复合相变材料的微观形貌图可以看到，共晶盐相变材料呈“条柱状”，将膨胀珍珠岩的表面、孔道基本全部填充，分布较均匀，这说明共晶盐相变材料与膨胀珍珠岩的相容性良好，有利于防止泄露现象。

2.3 复合相变砂浆热物性分析

本研究将定型复合相变材料等质量替代普通砂浆中的标准砂，制备得到复合相变砂浆，掺入定型复合相变材料质量与原标准砂质量之比分别为 0%、10%、20%、30%。图 11 为 25mm×25mm×25 mm 砂浆试块的实物图。通过导热系数测量仪和比热比较法得到复合相变砂浆的导热系数为 0.63 W/(m·K)，固态比热容和液态比热容分别为 1.56 J/(g·K)和 1.75 J/(g·K)。与测试得到的普通砂浆的导热系数(0.83W/(m·K))相比，降低了 24.74%。主要原因有三点：一是膨胀珍珠岩的导热系数比砂浆低很多；二是砂浆在掺入定型复合相变材料后孔隙率增大，孔隙中会产生充满空气的气孔，增大复合相变砂浆的热阻；三是复合相变砂浆在测试过程中伴随着潜热的释放与储存，会对导热系数的测试结果有一定影响。

图 12 为通过储热性能实验测得的砂浆试块冷端温度变化曲线。在 50 ℃的热端加热温度下，普通砂浆试块冷端和复合相变砂浆试块冷端分别在 1100 s 和 1390 s 时达到峰值温度，为 30.47 ℃和 27.90 ℃，由于复合相变砂浆在加热时会发生相变储存热量，并在冷却时缓慢释放热量，因此达到峰值温度的时刻会延后。三次峰值温差分别可以达到 2.57、2.45 和 2.38 ℃。总体来说复合相变砂浆有着良好的延迟温度上升的作用，并且由于导热系数比普通砂浆试块小，温度下降速率较低。由此可见，所制备的复合相变砂浆具有良好的储热能力。如果将该复合相变砂浆用于间歇性地板辐射采暖的填充层，将减小室内空气温度波动，提高室内热舒适度，从而减少供暖能耗。

3 结 论

本文以 Na2HPO4·12H2O 和 Na2SO4·10H2O 作为基材，制备出一种适用于间歇性地板辐射采暖的复合相变砂浆。主要结论如下：

（1）实验筛选出共晶盐相变材料最佳配比为：80% Na2HPO4·12H2O-20% Na2SO4·10H2O+ 2%Na2SiO3·9H2O，2% Na2SiO3·9H2O 作为成核剂，优化其过冷度。所制备的二元共晶盐相变温度为27.04 ℃，相变焓为 214.1 J/g，过冷度为 3.25 ℃。

（2）选择粒径为 2~2.5 mm 的膨胀珍珠岩作为吸附载体制备定型复合相变材料时，吸附效果和定型能力都较好，吸附率可达 92%，泄露实验后质量损失率仅为 1.97%。该定型复合相变材料的相变温度为24.85 ℃，相变焓值为 156.7 J/g。

（3）复合相变砂浆中定型复合相变材料的掺入比为 30%时，其导热系数为 0.63 W/(m·K)、固态比热容和液态比热容为 1.56 J/(g·K)和 1.75 J/(g·K)，传热系数为 3.85 W/(m2·K)，具有优良的储热性能。

（4）厚度为 25 cm 的复合相变砂浆，在 50 ℃恒温加热时，与普通砂浆试块相比，冷端温度可相差2.5 ℃，15 ℃冷却时，温度下降速率较小，可以有效减小温度波动，说明其有良好的储热性能。