CN101104550A - 一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有相变储能与调温功能的高性能、低成本、环保型的新型建筑墙体聚合物保温干拌砂浆材料，它是一种引入了有机相变材料复合的相变储能骨料的聚合物保温干拌砂浆材料。本发明采用了“两步法”工艺，即首先制作高稳定高热容的相变储能骨料，再采用相变储能骨料，用现代混凝土干拌技术配制成建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆，制备工艺简单，安全环保，易于实施与控制，利于工业化推广应用。该建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆解决了有机相变材料与普通建筑材料结合的关键技术问题，消除了有机相变材料对建材机械性能和防火性能的影响，具有高的循环工作稳定性能和高的有机相变材料引入量，兼具低的导热系数和高的蓄热系数，保温隔热性能与温差调整功能十分优越。

Description

一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种保温砂浆及其制备方法，更具体的说，本发明涉及一种中建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆及其制备方法，属于建筑节能领域。
背景技术
建筑节能是我国制定的长期战略方针和基本政策，是我国资源获得可持续发展的最终目标。近20年我国的社会经济发展水平获得了举世瞩目的提高，人民群众的物质生活水平得到了迅猛的提高，但是在建筑节能方面，与西方工业国家相比较，距离还是非常大。我国单位建筑面积的耗能量高达气候条件相近发达国家的3倍，且95％的建筑物属于高能耗建筑，建筑能耗占全社会总能耗的30％左右。随着我国经济建设和房地产业高速增长，对资源紧缺、污染日益加剧的中国带来更大的电力负担。因此，建筑节能对我国是一个极为重要和迫切的课题。
降低建筑围护结构墙体的传热系数是建筑节能的主要措施和有效手段之一，它的原理主要是采用轻质多孔隙的建筑保温材料，增大围护结构的热阻值，从而抑制辐射热传热、导热传热和对流传热进入室内，从而增加建筑的隔热保温性能，达到建筑节能的目的。保温材料是指对热流具有显著阻抗性，用于减少结构物与环境热交换的一种功能性建筑材料，它的导热系数一般小于0.2W/mK。
目前国内的外墙保温体系主要有保温板材和保温砂浆两种类型，它们的施工工艺、基本构造和优缺点如表1所示。
表1：两种类型外墙保温体系的施工工艺，基本构造和优缺点比较
我国建筑节能标准最早实施是在北方采暖地区，保温层的热阻要求高，相应保温层厚度很厚，外墙保温的成本也很高。保温层采用保温板材比较普遍，这与国外建筑节能技术发展的现状是同步的。
但我国南方夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的气候状况和人民生活习惯与北方采暖地区存在明显的差别，北方地区所普遍使用保温板材类外墙保温技术，受其价格相对昂贵、施工难度大、技术要求高等缺点的影响，难以在江南夏热冬暖地区得到大面积的使用推广。根据夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的特点，建筑墙体在具有一定保温性能(低的传热系数)的同时，更加要求建筑墙体具有优良的隔热性能(大的蓄热系数)。因此具有较高蓄热系数，同时施工简便，强度高的保温砂浆建筑墙体节能体系在这个地区受到了广泛的关注和推广。采用聚合物改性技术可以有效改善传统保温砂浆的性能，
进一步开发具有更高蓄热系数的建筑保温材料需要有效的热能存储，而相变材料(phase change material，PCM)发生相变时所需要吸收和释放的大量相变潜热正好满足了该需求。这种采用高蓄热系数建筑材料的热能存储技术可以缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，平衡建筑物的供暖与空调负荷，大大提高居住环境的舒适度。应用热能存储技术，不仅可以缩小冷热源的规模，节约初投资，而且，由于电网负荷峰谷电价分计制的实行，应用热能存储技术还可以降低供暖、空调系统的运行费用。另外，热能存储技术也是在建筑物的供暖、空调系统中有效存储、利用太阳能等低成本清洁能源的重要途径，有利于环保、节能。因此，新型相变型建筑节能材料的研发与应用是当前建筑节能领域的热点与最前沿方向。
理想的建筑储能材料须满足以下条件：1)相变温度接近人体的舒适度20～26℃；2)具有足够大的相变潜热和热传导性；3)相变时膨胀或收缩性要小；4)相变的可逆性要好；5)无毒性、无腐蚀性、无降解、无异味；6)制作原料廉价易得。早期的研究主要集中于便宜易得的无机水合盐上，但由于其严重的过冷与析出问题，相变建筑材料循环使用后储能大大降低和相变温度范围波动很大，大大限制了其在建筑材料领域的实际应用。在过去的20年中，容器化的相变材料已经被市场应用到太阳能领域，但由于其在相变时与环境接触的面积太小，而使其能量传递并不是很有效。相反，普通建筑材料却给建筑物每一个区域的被动式传热提供了足够大的接触面积，从而引起了人们更多的重视。研究相变材料与普通建筑材料的结合方式，研究相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热、机械及防火特性是相变材料应用于建筑材料的关键技术问题。
当前，相变材料与普通建筑材料的结合技术主要采用封装技术，该技术就是在直接加入前用不同材料、形状和大小的胶囊包含相变材料。封装技术有两种主要方法，一是小封装技术，就是将小的球形的或杆形的颗粒封装在薄的高分子聚乙烯膜中，然后再加入基材；二是大封装技术，就是将PCM包含在比较大的容器如试管、球体、面板等。这些容器既可直接作为热交换器，也可加入建材中。这些技术或者会影响建材的机械性能，或者影响到产品的防火性能，实用化前景堪忧；而且采用封装技术大大增加了相变储能型建筑材料的成本，不宜大规模的推广和应用。
发明内容
本发明针对现有技术中的相变储能型建筑材料所存在的问题，提供了一种具有相变储能与调温功能的高性能、低成本、环保型的新型建筑墙体聚合物保温砂浆材料及其制备方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆，其特征在于该砂浆是由以下重量百分比的材料组成：
相变储能骨料：        5％～20％
建筑外墙保温砂浆；    80％～95％；
其中所述的相变储能骨料是由有机相变物质渗入到多孔介质材料中形成的。
作为优选，该建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的材料优选重量百分比为：
相变储能骨料：    8％～15％
建筑外墙保温砂浆  85％～92％。
本发明所述的建筑外墙保温砂浆可以是本发明人在2004年4月30日申请的申请号为(200410018187.4)的建筑外墙保温砂浆，也可以是其它常规的建筑外墙保温砂浆，但是利用本发明人研制的建筑外墙保温砂浆所得的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆与现有的保温隔热材料相比具有更优良的建筑综合节能功效。
在上述的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆中，所述的相变物质为所述的有机相变物质为石蜡、辛酸、脂肪酸和硬脂酸中的一种或多种。
在上述的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆中，所述的多孔介质材料为膨胀珍珠岩、轻质烧结陶粒、粉煤灰陶粒中的一种或多种混合；作为优选，所述的多孔介质材料的孔隙率为30％～80％。
此外本发明还提供该建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备方法，该方法由以下步骤组成：
A、相变储能骨料的制备，选用多孔介质材料颗粒，将有机相变物质采用真空渗透的方式渗透进入了多孔介质料颗粒中形成复合物，即为相变储能骨料；
B、建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备：将上述制备而成的相变储能骨料，加入建筑外墙保温砂浆采用搅拌机进行干伴后即得建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆。
本发明将有机相变物质渗透进入多孔介质颗粒中，然后和建筑外墙保温砂浆进行混合制备而成的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆同时具有承重和储能的双重功能，成为结构一功能一体化建筑材料，采用本发明的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆是性能/价格比较高的新型建筑材料。
在上述的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备方法中，在步骤A中所述的真空渗透的方式方式的具体过程为：在真空反应釜或其它容器中，将多孔介质材料、有机相变材料在50～180℃的温度下按质量比1∶0.5～5混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于多孔介质材料表面的有机相变材料完全吸附渗透进入多孔介质材料内部孔隙；降温，卸料，形成复合物，即为相变储能骨料。
在上述的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备方法中，在步骤B中步骤B中采用搅拌机进行干伴的时间为10min～60min。
因此本发明具有以下优点：
1.本发明的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆将有机相变材料完全渗透进入了多孔介质料颗粒形成相变储能骨料颗粒，从而解决了有机相变材料与建筑外墙保温砂浆结合的关键技术问题，消除了有机相变材料对建材机械性能和防火性能的影响。
2.本发明的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的有机相变材料循环相变的整个过程均发生于相变储能骨料颗粒内部孔隙中，彻底解决了相变型建筑节能材料的循环工作稳定性能和防有机相变材料渗透的稳定性能。
3.本发明的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆充分利用了多孔介质料颗粒的内部孔隙，实现了较高的有机相变材料引入量，保证了这种具有相变储能功能的新型建筑墙体聚合物保温干拌砂浆材料具有高的蓄热系数，保温隔热性能与温差调整功能显著。
4.本发明的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备方法采用了“两步法”工艺，即首先制作高稳定高热容的相变储能骨料，再采用相变储能骨料，用现代混凝土干拌技术配制成建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆，制备工艺陶单，安全环保，易于实施与控制，利于工业化推广应用。
附图说明
图1为本发明建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆制成的板材检测装置图，
图2为本发明建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆制成的板材箱和普通板材箱内部温度随箱体温度变化关系的曲线图。
其中在图1中1、普通保温板材箱；2、相变储能保温板材箱；3、人工智能温度控制器；4、接触调压器；5、电子计算机；6、多路温度测试仪；7、加热器；8、电扇；9、热电偶(A、B、C、D)；10、隔热板；11、外箱体(12)×80×80cm3)；
其中在图2中A为普通保温板材箱中的温度；B为相变储能保温板材箱中的温度；C为箱体环境的温度。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案做进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例
实施例1
建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备；
A、相变储能骨料的制备，选用多孔介质材料膨胀珍珠岩颗粒，其中膨胀珍珠岩颗粒孔隙率为80％，在真空反应釜或其它容器中，将多孔介质材料膨胀珍珠岩颗粒、有机相变材料石蜡在180℃的温度下按质量比1∶5混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于多孔介质材料膨胀珍珠岩颗粒表面的有机相变材料石蜡完全吸附渗透进入多孔介质材料膨胀珍珠岩颗粒内部孔隙中；降温，卸料，即为相变储能骨料；
B、建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备：将上述制备而成的相变储能骨料，加入本发明人于2004年4月30日申请的申请号为(200410018187.4)的建筑外墙保温砂浆采用搅拌机进行干伴10min后即得建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆；其中相变储能骨料占整个建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的重量百分比为20％，其余为建筑外墙保温砂浆。
实施例2
建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备；
A、相变储能骨料的制备，选用多孔介质材料轻质烧结陶粒颗粒，其中轻质烧结陶粒颗粒孔隙率为50％，在真空反应釜或其它容器中，将多孔介质材料轻质烧结陶粒颗粒、有机相变材料辛酸在50℃的温度下按质量比1∶2混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于多孔介质材料轻质烧结陶粒颗粒表面的有机相变材料辛酸完全吸附渗透进入多孔介质材料轻质烧结陶粒颗粒内部孔隙中；降温，卸料，即为相变储能骨料；
B、建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备：将上述制备而成的相变储能骨料，加入本发明人于2004年4月30日申请的申请号为(200410018187.4)的建筑外墙保温砂浆采用搅拌机进行干伴25min后即得建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆；其中相变储能骨料占整个建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的重量百分比为15％，其余为建筑外墙保温砂浆。
实施例3
A、相变储能骨料的制备，选用多孔介质材料粉煤灰陶粒颗粒，其中轻质粉煤灰颗粒孔隙率为30％，在真空反应釜或其它容器中，将多孔介质材料粉煤灰陶粒颗粒、有机相变材料脂肪酸在100℃的温度下按质量比1∶1混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于多孔介质材料粉煤灰陶粒颗粒表面的有机相变材料脂肪酸完全吸附渗透进入多孔介质材料粉煤灰陶粒颗粒内部孔隙中；降温，卸料，即为相变储能骨料；
B、建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备：将上述制备而成的相变储能骨料，加入本发明人于2004年4月30日申请的申请号为(200410018187.4)的建筑外墙保温砂浆采用搅拌机进行干伴40min后即得建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆；其中相变储能骨料占整个建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的重量百分比为10％，其余为建筑外墙保温砂浆。
实施例4
A、相变储能骨料的制备，选用多孔介质材料为重量比为3∶1的粉煤灰陶粒颗粒和膨胀珍珠岩颗粒，其中多孔介质材料孔隙率为40％，在真空反应釜或其它容器中，将多孔介质材料、有机相变材料为重量比为1∶1的脂肪酸和硬脂酸在120℃的温度下按质量比1∶3混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于多孔介质材料表面的有机相变材料完全吸附渗透进入多孔介质材料内部孔隙中；降温，卸料，即为相变储能骨料；
B、建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备：将上述制备而成的相变储能骨料，加入本发明人于2004年4月30日申请的申请号为(200410018187.4)的建筑外墙保温砂浆采用搅拌机进行干伴60min后即得建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆；其中相变储能骨料占整个建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的重量百分比为5％，其余为建筑外墙保温砂浆。
实施例5
A、相变储能骨料的制备，选用多孔介质材料为重量比为4∶3的膨胀珍珠岩颗粒和轻质烧结颗粒，其中多孔介质材料孔隙率为65％，在真空反应釜或其它容器中，将多孔介质材料、有机相变材料为重量比为2∶1的石蜡和辛酸在150℃的温度下按质量比1∶0.5混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于多孔介质材料表面的有机相变材料完全吸附渗透进入多孔介质材料内部孔隙中；降温，卸料，即为相变储能骨料；
B、建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备：将上述制备而成的相变储能骨料，加入本发明人于2004年4月30日申请的申请号为(200410018187.4)的建筑外墙保温砂浆采用搅拌机进行干伴30min后即得建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆；其中相变储能骨料占整个建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的重量百分比为8％，其余为建筑外墙保温砂浆。
应用实施例
采用实施例1～5制备的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆，加水拌合，倒入预先做好的磨具中，静止1～2个星期凝固后则制得相变储能保温板材，板材厚度为3.0cm。以此板材制成密封的，内腔大小为40cm×40cm×40cm的相变储能保温板材箱备用。
采用相同容重的普通聚合物保温砂浆，按以上方法制成一个具有完全相同尺寸的普通保温板材箱备用。
检测装置(图1)：将制成的普通保温板材箱1，相变储能保温板材箱2置于合适的外箱体11中，通过热电偶C对箱内温度的探测并利用人工智能温度控制器3、接触调压器4控制加热器7加热情况从而实现对箱体11内温度的控制，电扇8使箱体内温度分布更均匀；利用电子计算机5和多路温度测试仪6检测1、2箱内温度变化和两个待测箱所处特制箱体温度的检测(两个测试箱内分别用热电偶A、B测试温度，热电偶D检测特制箱体的温度)以及对温度变化的纪录。
检测条件：温度由人工智能温度控制器控制，温度4小时内从15℃均匀升温到60℃，然后在12小时内均匀降到15℃，如此变温循环并由计算机自动记录2个箱体内温度的变化。
从图2温度变化的曲线可以看出相变储能保温板材相变点Tc、ΔTH和ΔTL不同材料随环境温度变化的最大温差ΔT1和ΔT2。当环境温度由低温开始升温并达到甚至高于相变点Tc时，相变材料由于相变潜热，开始吸收热量，从而保持相变储能板材箱相比普通保温板材箱内温度具有较低的升温速率，因而产生了ΔTH。当环境温度由高温开始降温并达到甚至低于相变点Tc时，相变材料发生相变而放出热量，从而保持相变储能保温板材箱内相对于普通保温板材箱具有较低的降温速率，因而产生了ΔTL。ΔTH和ΔTL可以用于衡量相变储能保温材料的调温效果，ΔTH和ΔTL越大，表明相变储能保温材料的调温效果越好。由图计算可得平均ΔTH＝5.6℃和ΔTL＝3.0℃，在高温时，相变储能板材箱内温度相对于普通板材箱低5.6℃，而低温时相对普通板材箱高3.0℃，可以看出相变储能保温材料起到了很好的调温效果。另外从图中还可以得到ΔT1和ΔT2，ΔT1和ΔT2分别为测试箱温度波动的变化情况。ΔT1或ΔT2波动越小.越能满足人体舒适度的要求。从图中可以看出，ΔT1＝32.1℃ ，ΔT2＝23℃，相变储能保温板材箱的波动远小于普通保温板箱，对提高人体舒适度起到很好的效果。
上述相变储能保温板材箱如上述检测方法进行了100个循环测试以后，所测得温度曲线基本保持周期性变化，说明相变储能保温板材工作稳定，经过长时间的重复相变循环后仍然有良好的工作稳定性能。实验3个月后，相变储能保温板材箱取出观察相变板材表面，表面完好如初，没有发现任何异常现象，显示出该建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆具有良好的热稳定性和循环工作稳定性能。
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (8)

1.一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆，其特征在于该砂浆是由以下材料组成：
相交储能骨料：5％～20％
建筑保温砂浆；80％～95％；
其中所述的相变储能骨料是由有机相变物质渗入到多孔介质材料中形成的。
2.根据权利要求1所述的一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆，其特征在于该砂浆是由以下材料组成：
相变储能骨料：8％～15％
建筑保温砂浆；85％～92％；
其中所述的相变储能骨料是由有机相变物质渗入到多孔介质材料中形成的。
3.根据权利要求1或2所述的一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆，其特征在于所述的有机相变物质为石蜡、辛酸、脂肪酸和硬脂酸中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆，其特征在于所述的多孔介质材料为膨胀珍珠岩、轻质烧结陶粒、粉煤灰陶粒中的一种或多种混合。
5.根据权利要求4所述的种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆，其特征在于所述的多孔介质材料的孔隙率为30％～80％。
6.一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备方法，该方法由以下步骤组成：
A、相变储能骨料的制备，选用多孔介质材料颗粒，将有机相变物质采用真空渗透的方式渗透进入了多孔介质料颗粒中形成复合物，即为相变储能骨料：
B、建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备：将上述制备而成的相变储能骨料，加入建筑外墙保温砂浆采用搅拌机进行干伴后即得建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆。
7.根据权利要求6所述的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备方法，其特征在于步骤A中所述的真空渗透的方式方式的具体过程为：在真空反应釜或其它容器中，将多孔介质材料、有机相变材料在50～180℃的温度下按质量比1∶0.5～5混合均匀；缓慢打开放气阀门，降低反应釜内真空度至常压，将溶解并均匀包裹于多孔介质材料表面的有机相变材料完全吸附渗透进入多孔介质材料内部孔隙；降温，卸料，形成复合物，即为相变储能骨料。
8.根据权利要求6所述的建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆的制备方法，其特征在于步骤B中采用搅拌机进行干伴的时间为10min～60min。
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