C-S-H/PEG1000相变复合材料的制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种C‑S‑H/PEG1000相变复合材料的制备方法及应用，由C3S单矿常温稀释水化法获得具有多尺度多孔结构的水化硅酸钙C‑S‑H，将相变材料聚乙二醇PEG1000熔融浸渍到C‑S‑H粉末中，待PEG1000凝固后经过研磨过筛得到C‑S‑H/PEG1000相变复合材料。本发明相变复合材料利用了多孔材料C‑S‑H作为相变材料载体且制备工艺简单，具有良好的吸能储能性能和稳定性，掺加这种复合材料制备的水泥基材料的水化热总量和水化速率显著降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种相变材料的制备及应用，具体涉及一种C-S-H/PEG1000相变复合材料的制备方法及应用。

背景技术

由混凝土绝热温升和热应力分布的模拟结果可知，其初始内部温度最高可达70℃，完全冷却所需时间接近40小时，因此大体积水泥基材料易因其内部温差造成巨大拉应力而发生破坏。而相变材料(Phase Change Material，PCM)因其蓄热潜热密度高、体积变化小、相变温度范围固定等优点在各个领域得到了广泛的应用，将PCM和载体综合应用到建筑中可以有效发挥其节能储能特性，即合适的相变材料可以有效地降低水泥基材料水化热量大和水化速率，降低最高绝热温升值，减小温度应力，达到调控水化热的目的。

相变材料应用时可能存在热性能差、容易泄露、稳定性不好等问题，比如：从相变形态来讲，固-气、液-气相变材料由于相变前后体积变化大，需特定容器封装,气体易泄漏，几乎没有应用价值。从相变温度来讲，短链固体石蜡、棕榈酸甲酯等熔点低，室温下即可液化，影响与载体的结合稳定性而易泄露，若制备为微胶囊、气凝胶等形式则制备方式较为繁琐且成本增加；金属合金材料和熔融盐等则熔点过高，水泥基材料水化时放热温度达不到其相变温度，导致相变过程难以激发或激发程度不足，造成吸能储能效果无法发挥。从化学成分来讲，碱及碱土金属的卤化物、硫酸盐、磷酸盐等无机相变材料存在过冷、相分离、腐蚀性大、毒性大等缺点；共晶混合物则热物性不明确，一些脂类共晶混合物具有强烈的气味。目前，以PEG与其他多孔材料如多孔二氧化硅、MCS、聚氨酯和LA结合，是开发其热性能、生产新型智能材料和防止渗漏的有效途径。但是PEG与PP、PET或乙烯醋酸乙烯共混物由于PEG的渗漏，在经过几次加热冷却循环后，材料往往会失去相变特性。共聚物PEG的固-固相变材料与纯PEG相比，其最大焓值仍然很低。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种C-S-H/PEG1000相变复合材料的制备方法及应用，解决现有包括PEG的相变材料经过加热冷却热循环后容易失去相变特性，与水泥基材料兼容性和服役稳定性差的问题。

技术方案：本发明所述的C-S-H/PEG1000相变复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将C3S单矿物与去离子水混合，经过稀释水化后过滤干燥过筛获得C-S-H粉末；

(2)将PEG1000熔化浸渍到C-S-H粉末中，待PEG1000凝固后，经过研磨过筛得到C-S-H/PEG1000相变复合材料。

其中，所述步骤(1)中C3S单矿物与去离子水的质量比为1:125。

所述步骤(1)中C3S水化稀释液在磁力搅拌机上搅拌≥72h，取出过滤，在145～155℃真空干燥箱中烘干至恒重，研磨，过200目筛，获得C-S-H粉末。

所述步骤(2)中C-S-H粉末与PEG1000的质量比为1:1.2～1:2.0。

所述步骤(2)中将PEG1000置于70～75℃真空干燥箱中完全熔化。

所述步骤(2)中将C-S-H粉末放入完全熔化的PEG1000中，待PEG1000C-S-H吸附至饱和，自然冷却，待PEG1000凝固后，经过研磨过200目筛获得C-S-H/PEG1000相变复合材料。

本发明公开了一种包括采用权利要求1所述的C-S-H/PEG1000相变复合材料的制备方法制备的相变复合材料的混凝土，按质量份计包括以下组分：水556～588份、水泥1111～1176份、相变复合材料59～222份。

技术原理：PEG是一种固-液有机相变材料，PEG1000的固-液-固相变温度范围与水化放热区间30～70℃可以完美契合，相变转换过程激发程度较高，较好地发挥了PCM的吸能储能效果，同时PEG1000具有相对较高的潜热容；C-S-H作为一种水泥水化产物，兼容性佳，多尺度的多孔特征明显，主要分为大孔径(>200nm)、中孔径(50-200nm)和小孔径(<50nm)三部分，包括颗粒内部的固有孔隙和C-S-H结构水平的层间孔隙，作为PEG1000的载体，两者的复合材料具有良好的材料兼容性和服役稳定性。

有益效果：本申请通过以多孔材料C-S-H作为载体材料，以PEG1000为相变材料，可以制得选取性能稳定、相变潜热大、无毒害、热稳定性好、相变材料吸附率高、相变材料渗透率低的相变复合材料，在相变水泥基材料中添加一定比例的本发明的相变复合材料来替代水泥，可以有效降低水泥浆体的水化热和水化速率，为工程实践提供指导。

附图说明

图1为C-S-H吸附PEG1000前后的扫描电镜图，图中a为载体C-S-H吸附相变材料前的图像，b为吸附PEG1000后的相变复合材料CSH/PEG1000的图像；

图2为多次冷热循环前后相变复合材料的DSC图像；

图3为多次冷热循环前后相变复合材料的TG数据；

图4为水环境和碱环境中相变复合材料的ZETA电位；

图5为相变复合材料C-S-H/PEG1000不同掺量(取代水泥的质量百分比)下水化放热总量图，曲线峰值处自上到下掺量分别为0％、5％、10％、15％和20％；

图6为相变复合材料C-S-H/PEG1000不同掺量(取代水泥的质量百分比)的水化速率图，曲线最大值处自上到下掺量分别为0％、5％、10％、15％和20％。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

以下实施例中所用原料均为以下要求：

普通硅酸盐水泥为PII·52.5级普通硅酸盐水泥，水为去离子水，所用的C3S单矿物，由上海金锦乐实业有限公司生产，中位粒径小于10微米，为白色粉末，所用的PEG1000由MyBioscience有限公司生产，等级为工业级，半透明白色无毒蜡状固体。

相变材料为C-S-H/PEG1000相变复合材料，相变复合材料的制备过程为：

先将C3S单矿物与去离子水混合，C3S单矿物与去离子水的质量比为1:125，C3S水化稀释液在磁力搅拌机上搅拌至少72h，取出过滤，在145～155℃真空干燥箱中烘干至恒重，研磨，过200目筛，获得C-S-H粉末；取C-S-H粉末作为载体，取PEG1000作为相变材料；将PEG1000置于70～75℃真空干燥箱中完全熔化后，将C-S-H粉末放入完全熔化的PEG1000中，C-S-H粉末与PEG1000的质量比为范围为1:1.2～1:2.0，实施例中待PEG1000C-S-HC-S-H粉末与PEG1000的质量比1:1.6为，待吸附至饱和，自然冷却，待PEG1000凝固后，得到混合料；对混合料进行研磨过200目筛处理后，得到C-S-H/PEG1000相变复合材料。

实施例1

按照1m

将相变复合材料C-S-H/PEG1000与水泥置于电动混凝土搅拌机进行干拌混匀1min后，再添加入水中进行湿拌，先低速搅拌120s，停15s将锅壁和叶片上的水泥刮入锅中再高速搅拌120s得到拌和料。

将上述拌和料分2次加入模具中，用混凝土振捣仪振捣1分钟后将模具表面刮平并进行编号，在室内静置48h后脱模，放入混凝土养护箱里养护28天，混凝土养护箱设定温度为20℃，设定湿度为95％，即可得到相变水泥基材料。

实施例2

按照1m

将相变复合材C-S-H/PEG1000与水泥置于电动混凝土搅拌机进行干拌混匀1min后，再添加入水中进行湿拌，先低速搅拌120s，停15s将锅壁和叶片上的水泥刮入锅中再高速搅拌120s得到拌和料。

将上述拌和料分2次加入模具中，用混凝土振捣仪振捣1分钟后将模具表面刮平并进行编号，在室内静置48h后脱模，放入混凝土养护箱里养护28天，混凝土养护箱设定温度为20℃，设定湿度为95％，即可得到相变水泥基材料。

实施例3

按照1m

将相变复合材C-S-H/PEG1000与水泥置于电动混凝土搅拌机进行干拌混匀1min后，再添加入水中进行湿拌，先低速搅拌120s，停15s将锅壁和叶片上的水泥刮入锅中再高速搅拌120s得到拌和料。

将上述拌和料分2次加入模具中，用混凝土振捣仪振捣1分钟后将模具表面刮平并进行编号，在室内静置48h后脱模，放入混凝土养护箱里养护28天，混凝土养护箱设定温度为20℃，设定湿度为95％，即可得到相变水泥基材料。

实施例4

按照1m

将相变复合材C-S-H/PEG1000与水泥置于电动混凝土搅拌机进行干拌混匀1min后，再添加入水中进行湿拌，先低速搅拌120s，停15s将锅壁和叶片上的水泥刮入锅中再高速搅拌120s得到拌和料。

将上述拌和料分2次加入模具中，用混凝土振捣仪振捣1分钟后将模具表面刮平并进行编号，在室内静置48h后脱模，放入混凝土养护箱里养护28天，混凝土养护箱设定温度为20℃，设定湿度为95％，即可得到相变水泥基材料。

对C-S-H吸附PEG1000前后的形貌进行扫描电镜测试，结果如图1所示，由图1可以看出，圆圈中呈现的形貌可见C-S-H由箔状或花簇状形态转变为PEG1000分子很好地嵌入中空空间，即负载于C-S-H的多尺度孔结构上，形成致密的C-S-H/PEG1000块体。

对相变材料PEG1000与复合相变材料C-S-H/PEG1000测试得到DSC图像，结果如图2所示，本发明制备的C-S-H/PEG1000相变复合材料进行多次冷热循环前后的TG测试，结果如图3所示，由图2和3结果可知，PEG1000与复合材料C-S-H/PEG1000的相变温度区间与水泥基材料水化热温度范围相合，120℃时质量损失率小于5％，失重及热晗都在可控范围内，50次冷热循环后潜热仅下降约1％。在水环境和碱环境中相变复合材料测试ZETA电位，结果如图4所示，由图4可知在碱溶液及水溶液条件下均比较稳定的，表明其具有良好的热稳定性和环境适应能力。

对实施例1-4中相变复合材料C-S-H/PEG1000不同掺量(实施例1为5％、实施例2为10％、实施例3为15％、实施例3为20％)的相变水泥基材料进行水化放热和水化速率测试，并与掺量为0的对比，结果如图5和图6所示，由图5和6结果可得，加入C-S-H/PEG1000的水泥基材料，随着体系中C-S-H/PEG1000掺量由0％逐步增加至20％，水化热速率的峰高度降低并右移、宽度变宽，说明水化速率减慢；同时峰高下降，即水化放热总量降低，20％掺量下水化热总量降低超过50％，说明C-S-H/PEG1000能够起到良好的吸能储能作用，相变材料的存在有效降低了水泥体系的水化热，一定程度上也延缓了水化进程。