一种石膏相变储能建筑材料及其制备方法

摘要

本发明涉及建筑材料制品领域，尤其涉及一种石膏相变储能建筑材料及其制备方法。石膏相变储能建筑材料包括相互混合的石膏和复合相变储能材料；其中，复合相变储能材料包括水合盐相变材料和改性多孔支撑材料。其制备方法为：将水合盐相变材料吸附至改性多孔支撑材料中得到复合相变储能材料；将石膏和液态介质按一定比例混合得到石膏浆；将复合相变储能材料加入石膏浆中混合、成型、养护。本发明将相变储能材料与建筑材料相结合，能够将相变材料的储热潜力运用到建筑材料中，实现对热能的有效储存与利用，所制备的石膏相变储能建筑材料28d抗压强度为17.1～18.42 MPa，在升、降温过程中表面温差不超过4.3℃。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料制品领域，尤其涉及一种石膏相变储能建筑材料的制备方法。

背景技术

在全球能耗中，建筑能耗占据了约40%的比例，全球温室气体的排放中近30%与建筑能耗相关。建筑能耗在广义上，是指从建筑耗材的选购、建筑施工到建筑投入使用过程的全部能耗；在狭义上，是指人们的日常用电，如取暖、空调、照明、洗衣、冰箱等产生的能源消耗。我国目前的建筑面积大约为573亿立方米，其中，95%以上建筑为高能耗建筑，如何在建筑中提高能源使用效率，降低建筑能耗，对我国国民经济发展、环境可持续发展具有重要推动作用；如何提高建筑舒适度，将热能的损失率降低，对热能进行科学的合理利用与管理，能有效降低建筑能耗，是目前的研究热点。

显热储存、化学能储存及潜热储存是储能材料的三大储热技术。显热储存是利用材料的温变来实现对外部热源能量的储存与释放，主要储热密度取决于材料与热源的温差及材料的比热容，具有热损失大，系统体积大等缺点；化学能储存只要是通过可逆的化学反应来对热量进行储存与释放，其热损失小且能将热能进行长期储存，但技术复杂投资大且具备一定的安全隐患；潜热储存是利用材料的物质状态转换对外部的热源进行吸收或释放能量，反应系统体积小、安全系数高、对环境无毒无公害，但部分材料需进行封装。相比于显热储存以及化学能储存，潜热储存具有优异的综合条件，因此受到了国内外研究学者的重视，利用潜热值对热能进行吸收与释放的材料称为相变储能材料。目前，相变储能材料已经广泛应用在太阳能储存、医疗物品的运输、废热回收、纺织品等领域，能够有效缓解能源的需求与供应不足之间的矛盾。

将相变储能材料与建筑材料相结合，能够将相变材料的储热潜力运用到建筑材料中，实现对热能的有效储存与利用，具有相当广阔的应用前景与发展空间。相变储能材料在其相变过程中对热量进行吸收与释放能够平衡热能供应与需求不平衡的问题，同时还能达到节能储能的效果。

目前，以石膏作为基材与相变储能材料进行复合的相关研究较少，石膏基体与相变材料的相容性、其对相变材料焓值的影响以及能否在满足建筑结构需求的同时实现大规模应用等问题均有待探索。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种石膏相变储能建筑材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供一种石膏相变储能建筑材料，包括相互混合的石膏和复合相变储能材料；其中，复合相变储能材料包括水合盐相变材料和改性多孔支撑材料，水合盐相变材料吸附在改性多孔支撑材料中。

优选地，所述水合盐相变材料为三水合醋酸钠、五水合硫代硫酸钠、六水合氯化钙、六水合氯化镁、六水合硝酸镁、十水合硫酸钠、十二水合磷酸氢钠中的至少一种。

优选地，所述多孔支撑材料为多孔天然矿物材料、人工合成多孔材料或炭质载体。

进一步优选地，所述多孔支撑材料为硅藻土、凹凸棒土、蒙脱土、高岭土、膨胀珍珠岩、埃洛石、膨胀蛭石、膨胀石墨中的至少一种。

优选地，所述定型相变储能材料的相变温度范围20～35℃，相变焓值为89～155kJ/kg。

同时，本发明还提供一种上述石膏相变储能建筑材料的制备方法，包括以下步骤：

A、将多孔支撑材料进行预处理，得到改性多孔支撑材料；

B、将水合盐相变材料吸附至改性多孔支撑材料中，得到复合相变储能材料；

C、将石膏和液态介质按一定的比例混合，得到石膏浆；

D、将复合相变储能材料加入石膏浆中混合，得到混合浆料；

E、将混合浆料快速倒入模具中成型，脱模、养护，得到石膏相变储能建筑材料。

优选地，所述液态介质至少包含有水，所述石膏和液态介质的质量比为：1:0.15～1:0.40。

优选地，所述石膏浆与所述复合相变储能材料的质量比为1:0.05～1:0.30。

优选地，所述养护温度为20～40℃，养护时间为4～10 h。

本发明以水合盐为相变储能基体材料，通过多孔吸附的手段实现复合相变储能材料的制备；基于前述复合相变储能材料进一步制得的石膏相变储能建筑材料，其强度仍然符合规范，且不存在相变材料泄露的问题，其蓄热效果良好，适用于建筑材料的节能使用。

附图说明

图1为本发明石膏相变储能建筑材料制备工艺流程图。

图2为本发明实施例1所制备的复合相变储能材料的扫描电镜图片。

图3为本发明实施例1所制备的复合相变储能材料的DSC曲线。

图4为本发明实施例2所制备的复合相变储能材料的扫描电镜图片。

图5为本发明实施例2所制备的复合相变储能材料的DSC曲线。

图6为本发明实施例3所制备的石膏相变储能建筑材料在升降温过程中表面温度变化曲线：（a）升温过程；（b）降温过程。

图7为本发明实施例4所制备的石膏相变储能建筑材料在升降温过程中表面温度变化曲线：（a）升温过程；（b）降温过程。

具体实施方式

以下，将详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

本发明实施例提供了一种石膏相变储能建筑材料的制备方法，包括：

步骤A、将多孔支撑材料进行预处理，得到改性多孔支撑材料。

多孔支撑材料内部微孔比表面积较大，吸附作用较强，是理想的定型材料。多孔支撑材料可以选择多孔天然矿物材料、人工合成多孔材料或炭质载体。进一步优选是硅藻土、凹凸棒土、蒙脱土、高岭土、膨胀珍珠岩、埃洛石、膨胀蛭石、膨胀石墨中的至少一种。

预处理包括煅烧处理和酸浸处理。天然矿物中含有粘土类矿物及有机质等杂质，在使用前对其进行煅烧处理或酸浸处理是为了提高其孔隙率，更利于相变材料的吸附。

优选煅烧的温度为350～450℃，时间为1～3h。

优选利用盐酸或硫酸进行酸浸处理，酸的浓度为20％～60％，酸处理时间为3～4h，酸浸处理的温度为室温至70℃。

步骤B、将水合盐相变材料吸附至改性多孔支撑材料中，得到复合相变储能材料。

水合盐相变材料的选择不受限制，此处只列举常用的几种：三水合醋酸钠、五水合硫代硫酸钠、六水合氯化钙、六水合氯化镁、六水合硝酸镁、十水合硫酸钠、十二水合磷酸氢钠。

优选的吸附方式为真空吸附，真空度为0.04～0.08 MPa，吸附温度为30～70℃，吸附时间为40～100min。吸附温度要保证在水合盐相变材料的相变温度以上，这样可以保证是液态，另外要考虑的是如果吸附温度过高，水合盐相变材料中的结晶水会脱水。

具体的操作是：将改性后的多孔支撑材料放置在密闭的锥形瓶中抽真空，将水合盐相变材料通过分液漏斗加入锥形瓶中进行真空吸附；吸附完成后进行抽滤，将抽滤后的固体进行低温(5～15℃条件下)研磨分散，得到复合相变储能材料。

步骤C、将石膏和液态介质按一定的比例混合，得到石膏浆。

液态介质至少包含有水，优选的石膏和液态介质的质量比为：1:0.15～1:0.40。

步骤D、将复合相变储能材料加入石膏浆中混合，得到混合浆料。

优选的石膏浆与复合相变储能材料的质量比为1:0.05～1:0.30。

步骤E、将混合浆料快速倒入模具中成型，脱模、养护，得到石膏相变储能建筑材料。

优选的养护温度为20～40℃，养护时间为4～10 h。

本发明获得的石膏相变储能建筑材料，包括相互混合的石膏和复合相变储能材料；其中，复合相变储能材料包括水合盐相变材料、改性多孔支撑材料，水合盐相变材料吸附在改性多孔支撑材料中。

实施例获得的石膏相变储能建筑材料的抗压强度在17.1～18.42 MPa范围内，抗折强度在3.99～5.18 MPa范围内。

以下将结合具体的实施例来说明本发明的上述石膏相变储能建筑材料及其制备方法，本领域技术人员所理解的是，下述实施例仅是本发明上述石膏相变储能建筑材料及其制备方法的具体示例，而不用于限制其全部。

实施例1

将硅藻土进行硫酸浸处理改性，其中酸浓度为40％，酸浸处理时间3 h，酸浸处理温度为室温。改性后的硅藻土放置在密闭的锥形瓶中抽真空，将液态CaCl

采用BET比表面积测定法对实施例1中获得的预处理后的硅藻土进行测定，其比表面积为11.71 m

实施例2

将凹凸棒土放置在密闭的锥形瓶中抽真空，将液态CaCl

实施例2中凹凸棒土对CaCl

实施例3

1、将硅藻土进行硫酸浸处理改性，其中酸浓度为40％，酸浸处理时间4 h，酸浸处理温度为70℃。改性后的硅藻土放置在密闭的锥形瓶中抽真空，将液态CaCl

2、将石膏和水按1:0.3的质量比混合，得到石膏浆；将上述复合相变储能材料加入石膏浆中混合，二者质量比为1:10，得到混合浆料；将混合浆料快速倒入模具中成型，24h后脱模，于40℃养护4h，得到石膏相变储能建筑材料。

对本实施例的石膏相变储能建筑材料进行力学性能测试，测试结果显示该建筑材料的28d抗压强度为17.1 MPa，28d抗折强度为3.99 MPa。

对本实施例的石膏相变储能建筑材料进行热学性能测试，其导热系数为1.17 W/(m·K)，比普通石膏板下降25%。

对本实施例的石膏相变储能建筑材料进行升降温测试，测试结果显示：在升温过程中，该建筑材料表面温度的上升速率比纯石膏板缓慢，表面温差最高为4.3℃；在降温过程中，该建筑材料表面温度的下降速率比纯石膏板缓慢，表面温差最高仅为2.5℃，见附图6。造成这种现象的主要原因是相变材料在加热过程中可以吸收热量，此外，低热导率也是一个主要因素，因此，在相同条件下，本实施例的石膏相变储能建筑材料需要较长的时间才能达到相同的温度，可以达到有效控温的目的。

实施例4

1、将凹凸棒土放置在密闭的锥形瓶中抽真空，将液态CaCl

2、将石膏和水按1:0.3的质量比混合，得到石膏浆；将上述复合相变储能材料加入石膏浆中混合，二者质量比为1:10，得到混合浆料；将混合浆料快速倒入模具中成型，24h后脱模，于40℃养护4h，得到石膏相变储能建筑材料。

对本实施例的石膏相变储能建筑材料进行力学性能测试，测试结果显示该建筑材料的28d抗压强度为18.42 MPa，28d抗折强度为5.18 MPa。

对本实施例的石膏相变储能建筑材料进行热学性能测试，其导热系数为1.13 W/(m·K)，比普通石膏板下降27%。

对本实施例的石膏相变储能建筑材料进行升降温测试，测试结果显示：在升温过程中，该建筑材料表面温度的上升速率比纯石膏板缓慢，表面温差最高为1.4℃；在降温过程中，该建筑材料表面温度的下降速率比纯石膏板缓慢，表面温差最高为4.3℃，见附图7。造成这种现象的主要原因是相变材料在加热过程中可以吸收热量，此外，低热导率也是一个主要因素，因此，在相同条件下，本实施例的石膏相变储能建筑材料需要较长的时间才能达到相同的温度，可以达到有效控温的目的。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。