SiO2-无机水合盐微胶囊相变材料的合成机理及其结晶动力学研究

To overcome the drawbacks of low thermal conductivity and poor thermal resistance of the microencapsulated phase change materials(MePCMs) that consisted by organic polymer resin shell materials and organic core materials(paraffin or fatty acids), in this project,, a new kind of MePCMs that consisted by SiO2 shell materials and hydrate salt (Na2SO4•10H2O) core materials are synthetized in the inverse emulsion through the hydrolysis and polycondensation reaction of the silicon precursor . The structure self-assembly process on the oil-water interface and the reaction mechanism of the MePCMs are investigated, the regulation mechanism of the thermal physical performance of the MePCMs is clarified; the crystallization kinetics of the inorganic hydrate salt under the structure confinement of the MePCMs is researched, the anti-supercooling mechanism of the inorganic hydrate salt material is revealed; the effect of the prepared MePCMs on the thermal storage and temperature regulation characteristics and the thermal performance of the gypsum building materials are studied. The research of this project can provide some guiding significance for the develop of high thermal physical performance MePCMs and phase change energy storage building materials.

针对目前以有机聚合物树脂壁材和有机芯材（石蜡、脂肪酸）组合而成的微胶囊相变储能材料存在的导热和耐热性能不足的问题，本项目拟以Na2SO4•10H2O无机水合盐为相变芯材，在反相乳液体系下，利用硅基前躯体水解缩聚反应包覆相变芯材形成SiO2-无机水合盐微胶囊相变材料。通过研究油水界面微胶囊相变材料结构自组装过程及其反应机理，阐明微胶囊相变材料热物理性能调控机制；通过研究微胶囊结构限域下无机水合盐相变材料的结晶动力学，揭示无机水合盐相变材料抗过冷度机理；并研究所制微胶囊相变材料作用下相变石膏建材的蓄能调温特性及其热物理性能变化规律。本项目研究结果对研发优良热物理性能微胶囊相变材料和相变蓄能建材具有一定的指导意义。

相变材料以其优良的潜热储能性能在建筑节能领域具有巨大的发展空间。将相变材料同建筑材料相结合，可以在不增加建筑物自重的情况下提高建筑物的蓄热性能，达到减小室内温度波动、改善室内环境热舒适度的效果。采用相变石蜡作为芯材，二氧化硅为壁材的微胶囊相变材料，对制备微胶囊相变材料的热性能进行了分析研究；以纳米材料作为成核剂，研究纳米SiO2和氧化石墨烯（GO）掺入对十水硫酸钠(Na2SO4•10H2O)相变材料过冷度和相变性能的影响；通过制备SiO2为壁材，十水硫酸钠(Na2SO4•10H2O)为芯材的相变储能材料，研究微胶囊封装对相变材料热性能的影响。为了探索微胶囊相变材料在建筑材料中存在的问题，将制备的微胶囊相变材料掺加到石膏基体中制备相变石膏建筑材料，并研究了制备相变石膏建材力学性能和热性能。结果表明对于以SiO2为壁材，石蜡为芯材的微胶囊相变材料，当采用Span80和Tween80作为乳化剂，在pH=2.5的条件下制备的微胶囊相变材料表面致密光滑，抗渗性能良好，具有较高的相变潜热和包覆效率，熔融热焓为61.12J/g，结晶焓为59.52J/g，包覆率达到83.9%；通过氧化石墨(GO)和纳米SiO2复合，制备GO-SiO2材料，并将其和Na2SO4·10H2O复合，研究结果表明，当GO掺量为0.25 wt%，纳米SiO2掺量为2 wt% 时复合相变材料过冷度为1.2 ℃，相变温度32.5 ℃，熔融焓约为182.7 J/g，结晶焓约为163.4 J/g，导热系数为0.6934 W/(m·K)，导热系数比未封装的Na2SO4•10H2O提高了37%。制备以SiO2为壁材，Na2SO4•10H2O为芯材的微胶囊相变材料，微胶囊相变材料的熔化温度为31.02 ℃，相变潜热为168.6 J/g。100次循环后，制备的微胶囊相变材料仍然保持了良好的相变性能，通过微胶囊的封装，Na2SO4•10H2O的循环稳定性能与热性能得到明显提高。微胶囊相变储能材料与石膏建材的复合，可以显著地提高石膏建材的相变潜热，在升温和降温过程中能够有效的减小温度波动；相变石膏建材具有良好的热稳定，在长期冷热循环过程中能够保持良好的性能。