相变材料微胶囊在建筑材料中的应用

相变材料微胶囊在建筑材料中的应用相变材料应用于建筑的研究开始于1982年，由美国能源部太阳能公司发起。1988年起由美国能量储存分配办公室推动此项研究。Lane 在其著作《太阳能储存———潜热材料》一书中对20世纪80 年代初以前相变材料和容器的发展作了总结。

20世纪90年代以相变材料处理石膏板、墙板与混凝土构件等建筑材料的技术发展起来了，随后，相变材料在石膏板、墙板与混凝土构件的研究和应用得到了发展，主要目的是增强轻质结构的热容。美国Neeper估计相变墙板能转移居民空调负荷中90%的显热负荷到用电

低谷期，可降低30%的设备容量。Oakbridge 国家实验室在1990年得出结论：在太阳房中，相变墙板能明显降低附加能量的消耗，回报期大约是5年。日本的Kanagawa大学和Tokyo Denki大学的研究人员对相变墙板的储热性能进行了研究。他们得出了相变墙板的使用使得热负荷更加平缓，辐射域更加舒适，用电量下降，有消减峰负荷的可能的结论。

国内对相变建筑材料的研究起步较晚，张寅平研究了无水乙酸钠和尿素的共混物，其相变温度在28～31℃。同济大学则主要以工业级的硬脂酸丁酯为相变材料进行建筑节能混凝土材料的研究。近两年，北京广域相变科技有限公司与国内几家顶尖的专题研究相变材料的高校结合，共同研制相变材料微胶囊，为相变材料在建筑保温材料中的应用开拓了更广阔的天地。

相变材料微胶囊是相变材料装入直径1~500μm的微小容器内

（图一）。微胶囊通常为球形外观，其中，外层的裹附材质我们成为囊壁，囊壁多采用无机或有机高分子材料，在特殊条件下也可以用金属材料，内部的相变材料被称为囊芯。采用微胶囊对相变材料进行封装这一技术，近年来得到了国内外专家们的广泛关注，相变材料做成微胶囊再遇建筑材料掺混有以下优点：

1、可增大相变材料热传递过程中的表面积和传导率。

2、相变过程在微胶囊内完成，可极大的消除“相分离”现象。

3、提高相变材料的稳定性，降低一些相变材料的毒性和挥发

性。

4、提高相变材料的耐久性，增加其使用寿命。

5、相变材料微胶囊便于封装，可满足绿色环保新型材料的要

求。

6、通过选择合适的胶囊囊壁材料，可以避免相变材料与建筑

材料不相容性造成的对建筑材料热性能与承重能力的影

响。

图一

根据相变材料的特性以及相变材料微胶囊的特点，在建筑材料的领域中有着广泛的应用。

一、相变材料微胶囊在砂浆中的应用

德国巴斯夫（BASF）公司将石蜡封装在微胶囊中，研制出石蜡砂浆，并已将这种砂浆用于房屋的内墙表面上，作为室内的冬季保温和夏季制冷的材料。这样的设计可以减少室内温度波动，使室内保持良好的热舒适度。减少空调系统的设备容量，转移用电负荷。相变材料微胶囊与砂浆的混合，相当于每平米的墙面有750~1500h的MicroPCMs，每2cm厚的此种砂浆的蓄热能力相当于20cm厚的砖木结构。另外，德国弗赖堡夫琅费太阳能系统研究所的研究人员将相变石蜡封装在直径为20mm的小塑料球内，制成用于内墙的灰泥。这种新的灰泥在夏天能使室内保持舒适的温度，冬天有助于节省能源。经过测试，3cm厚的墙借助新的灰泥可以达到40cm厚的水泥墙的蓄热能力。

相变材料微胶囊不仅可以用于内墙保温材料，在外墙保温方面，也可以起到很大的作用。当建筑围护结构外表面直接暴露在阳光下时，外表面的室外综合温度可高达60~70℃。把相变材料用于外墙体外表面，可以有效控制建筑外表面温度，降低外表面温度曲线的峰值，这时候结构内外温差较小，以起到保温节能的作用。分析得出，降低普通墙体外表面的温度能够有效的控制热量从室外通过围护结构传入室内。相变材料拥有较大的相变潜热，如果选择合理的相变温度，将其置于普通墙体外表面，白天温度较高时，相变材料开始“工作”，

通过相变储能把普通墙体吸收的室外热量存储在墙体外侧，同时围护结构外侧的温度也保持在较低温度，通过围护结构从外侧传入室内的热量也就减少；当室外温度低于相变温度时，集中在相变材料中（围护结构的外侧）的热量能够通过有效的室外通风释放出去。这样就降低和延迟了普通墙体外表面的温度峰值，明显的减少了通过墙体传入室内的热量，降低了制冷能耗。

二、相变材料微胶囊在混凝土内的应用

在建筑领域中，混凝土水化反应时释放出大量的反应热，导致混凝土内温度升高，使混凝土开裂、强度降低，尤其是在大体积混凝土更为明显，甚至可能造成结构破坏等严重的工程事故。研究人员对掺人相变材料和不掺相变材料的混凝土水化热进行了对比分析，经研究得知，加入适当的相变材料，可以吸收水化反应释放的热量，发生相变，使混凝土内部温度稳定在某一范围内，在反应结束时热量才逐渐传递出来，不会造成混凝土内部温度过高，达到降低混凝土水化反应温度的目的。

相变材料与混凝土砌块结合，用于构筑建筑墙体。Hadjievaa研究了无机水合盐Na2S2O3·5H2O在混凝土的渗入情况，并研究了相变混凝土的热性能、热循环过程中存在的泄漏现象，物理和化学稳定性能还有待于进一步提高。张东等人研究了相变混凝土制备方法及热性能。他们采用“两步法”，即先制备定形相变材料骨料，然后再制备相变混凝土，其储热效果明显高于普通混凝土。Hawes等研究了不同类型混凝土块中多种PCM的储热性能。美国Suntek Research Associates

公司研制成功储热墙体块材，它是将相变材料悬浮于混凝土砌块中，作为恒温储热建筑构件。

但是相变材料微胶囊在建材中的广泛应用还需要在以下几个方面进一步发展。

1、进一步提高相变材料微胶囊的热导率，由于大部分相变材

料存在热导率低的问题，使系统的传热性能变差，储能和

释能实践增加，进而降低了系统的整体效能，研究者们通

过加入金属颗粒、碳纤维、膨胀石墨和纳米粒子等方法提

高了相变材料的导热性能，但还需要进一步加以研究。在

选取提高热导率的添加物时，应该满足以下几个条件：热

导率高；物质密度不能太高；材料应该与相变材料相容；

具有一定的耐腐蚀性能；价格相对便宜。

2、进一步提高相变材料微胶囊的长期稳定性和寿命。

3、进一步解决相变材料微胶囊与建筑材料相容的问题。在相

变材料微胶囊与建筑材料混合过程中易发生叫你破裂致使

相变材料泄露，影响相变储能建筑材料的热工性能。

4、进一步提高相变材料微胶囊的可逆性，并减少膨胀和收缩

性。

总之，相变材料微胶囊在建筑材料中的应用能有效的解决目前建筑材料内急待解决的问题。将相变材料应用在建筑材料领域，可以提高室内的舒适度，减少电力的峰谷差，优化电力的负荷特性。相变材料应用在建筑中，还有很多的问题需要进一步开展研究。从资料得知，