CN101671149A - 石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于相变蓄热机理的建筑节能材料及其制备方法。它以水泥等无机凝胶材料为基体，掺入微胶囊化的有机相变材料石蜡，形成的具有相变蓄热功能的新型外墙外保温材料。本发明采用微胶囊化技术解决了相变材料的流失和外渗，采用偶联剂表面改性技术和聚合物纤维增韧技术，解决了石蜡微胶囊与无机凝胶材料的相容性，以及高石蜡微胶囊含量下砂浆开裂问题。本发明主要适宜于我国南方夏热冬冷和夏热冬暖地区的外墙外保温的节能建筑领域。

Description

石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑节能材料技术领域，具体涉及一种相变蓄热保温砂浆。
背景技术
节能减排是国家的宏观战略，建筑节能正成为并在今后相当长时间里成为我国建筑业的热点。虽然《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》已经颁布，但我国建筑节能产业还十分薄弱，发展建筑节能新技术迫在眉睫。建筑节能的主要措施，目前主要集中在墙体、屋顶和门窗上，墙体是其中最主要的也是最应该达到节能目标的围护结构体系。
实施建筑节能必须大幅度提高外围护结构，尤其是外墙的热工性能。外墙外保温具有显著的综合节能优势，是建筑节能的发展方向。目前外墙外保温节能系统主要有两类，一种是以聚苯板为保温隔热层，应用于我国北方寒冷地区，另一类是以聚苯颗粒保温砂浆为保温隔热层，适宜于南方夏热冬冷和夏热冬暖地区。利用聚苯颗粒、膨胀珍珠岩和膨胀蛭石等保温隔热材料制备的保温砂浆可以降低建筑能耗，但由于材料本身的热容量小和不具有储热功能的缺点，因而使用了这类材料的建筑的节能效果十分有限。
相变材料在相变过程中，可以从环境吸收热(冷)量或向环境放出热(冷)量，从而达到能量储存和释放的目的。相变蓄热建筑节能技术具有两大优点，其一含有相变材料的建筑材料与储存相同热量的普通建筑材料相比，建筑材料体积和重量大大减少，达到节约资源的目的；其二能量的储存和释放发生在较窄的温度范围，应用于建筑物中将大大提高居住环境的舒适性，达到建筑节能目的。国外自20世纪80年代开始将相变材料应用于建筑围护结构或蓄热器，利用相变蓄热原理，缓解建筑物的能量供求在时间和强度上不匹配问题，达到建筑节能的目的。
相变材料与普通建筑材料的复合工艺是相变蓄热建筑节能技术的关键。相变材料在相变过程中会发生流动、外渗和迁移，使相变材料的流失、或与建筑材料发生化学反应，导致相变蓄热材料的蓄热性能下降或消失。目前相变材料与普通建筑材料的复合工艺主要有多孔材料负载化或真空浸渍、与聚合物共混和与聚合物化学接枝三类。
下面的专利文献和论文报道了第一类复合工艺，即采用多孔材料负载化或真空浸渍等方法，如宁波荣山新材料有限公司的中国发明专利CN101104550A一种建筑墙体相变蓄能型聚合物保温砂浆及其制备方法、东华大学中国实用新型专利CN2915983Y一种含相变材料的保温墙体材料、同济大学中国发明专利CN1450141A建筑用相变蓄能复合材料及其制备方法、东华大学中国发明专利CN101302089A一种含相变材料的保温节能砂浆的制备方法、建筑材料学报2008，11卷5期P541～544轻质相变蓄热墙体材料研究。第二类为相变材料与聚合物共混，如清华大学中国发明专利CN1462787A建筑采暖用的加热定型相变蓄热材料及其制备方法、清华大学中国发明专利CN1369537A一种定型相变材料的制备方法。上述多孔材料真空浸渍和与聚合物共混的体系在热力学和动力学上仍然是不稳定的，相变蓄热材料的耐久性能差，主要表现为相变材料的迁移、流失，以及对建筑基材的腐蚀。第三类为和与聚合物化学接枝。与聚合物接枝体系中，由于相变材料与聚合物采用化学键连接，其相变热焓大大降低，其相变蓄热效能大大降低。
相变材料微胶囊化是通过微胶囊技术在固-液相变材料表面形成一层高分子膜，该方法较好的解决了相变材料在发生固-液相变后相变材料的流失，以及相变材料与建筑材料的相容性、耐久性问题。美国PCM公司、德国BASF公司和Fraunhofor太阳能系统研究所等开展了微胶囊相变材料(MPCM)在墙体、天花板和地板等中的应用，为多家公司开发了放置室外通信和电力设备等特殊要求的建筑物或试验房。国内外研究和工程实践表明，上述内保温方式在保温效率、室内热稳定性、二次装修等方面存在种种弊端。
相变材料用于外墙外保温是建筑节能发展的新方向，在现有的研究中，将石蜡微胶囊用在外墙外保温的研究未见报道，其中的关键是需要解决石蜡微胶囊与无机凝胶材料的相容性、高掺量的石蜡微胶囊导致砂浆的开裂等技术问题(请再简单评述一下上述微胶囊相变材料(MPCM)在墙体、天花板和地板等中的应用中存在的问题)
发明内容
本发明针对现有相变蓄热保温砂浆存在的相变材料流失、石蜡微胶囊与无机凝胶材料的相容性、高掺量的石蜡微胶囊导致砂浆的开裂等技术问题，提供一种具有相变蓄热功能的新型外墙外保温材料及其制备方法。
本发明提出的石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆含有水泥、细砂、石蜡微胶囊、偶联剂、粘结剂、聚丙烯纤维和外加剂，其中水泥与细砂的重量比例为1∶2.5～3.5，石蜡微胶囊的用量为15wt％～67wt％(以水泥记)，偶联剂含量为5wt％～34wt％(以水泥记)，粘结剂用量为5wt％～10wt％(以水泥记)，纤维用量为0.2wt％～1.5wt％(以水泥记)，外加剂用量为3wt％～5wt％(以水泥记)。
所述偶联剂采用以下硅烷偶联剂中的一种：
KH570分子式CH2＝C(CH3)COO(CH2)3Si(OCH3)3)，
KH560分子式CH2CHCH2O(CH2)3Si(OCH3)3，
KH550分子式NH2(CH2)3Si(OC2H5)3，
NSC-151分子式CH2＝CHSi(OCH2CH3)3，
SG-Si602分子式NH2(CH2)2NH(CH2)3SiCH3(OCH3)2；
所述粘结剂采用乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液；
所述外加剂为早强减水剂。
所述细砂的细度模数1.6-2.2.。
本发明进一步提出石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆的制备方法，称出各材料用量，将石蜡微胶囊、偶联剂和粘结剂混合，并搅拌充分，制备石蜡微胶囊预混料；将砂浆搅拌机湿润，再将细砂、水泥加入搅拌机内，加入石蜡微胶囊预混料和早强减水剂，搅拌，将水慢慢加入；再加入聚丙烯纤维，搅拌，测量稠度和分层度；将砂浆拌和物倒入拌和铁板上，用拌铲翻拌，使之均匀，然后倒入模子中，养护。
其中石蜡微胶囊可采用一步法制备，过程如下：1.0～2.0kg聚乙烯醇加入釜中，然后再加入48L水，保持温度80℃、搅拌速度800rmp，使聚乙烯醇完全溶解，再加入2.0～3.5kg尿素；用0.5mol/L盐酸调节溶液pH值至1～3，再将5.5～7.5kg的粉碎石蜡加入，至石蜡完全溶解；将温度控制在70℃，加入4.5～6.0L甲醛溶液，反应2小时，然后加入0.2～0.3kg的间苯二酚，继续反应1.5小时；离心过滤，用80℃热水洗产品三次，再离心过滤，产品粉碎为粉末状。
石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆及其制备方法中主要解决了两个关键问题，其一是石蜡微胶囊与无机凝胶材料相容性。石蜡微胶囊表面为憎水性，与水泥浆体之间不亲合，石蜡微胶囊的分散性差，严重影响其和易性和施工性能。本发明中采用偶联剂对石蜡微胶囊的表面改性，考察了偶联剂类型和含量对相容性的影响。从本发明的试验结果看，没有采用偶联剂的砂浆，石蜡微胶囊与无机凝胶材料相容性差，无法进行施工。
其次是高掺量的石蜡微胶囊还会导致砂浆的开裂。本发明采用聚合物纤维增韧技术，考察了纤维类型、纤维长度和纤维含量对砂浆抗裂性的影响。从本发明的试验结果看，没有采用纤维的砂浆，石蜡微胶囊含量在20wt％以上，砂浆出现开裂。
具体实施方式
实施例1：石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆
(1)将2公斤石蜡微胶囊和200g硅烷偶联剂KH550混合，并加入1300ml水，充分搅拌，使石蜡微胶囊表面湿润，再加入192g粘结剂乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳液，搅拌充分，得到表面改性后的石蜡微胶囊预混料。石蜡微胶囊采用以下实施例4制备，也可采用其它现有方法制备。
(2)将砂浆搅拌机湿润，将称量好的水泥3kg和细砂(细度模数1.6-2.2)7kg加入到搅拌机内，加入改性后的石蜡微胶囊预混料和早强减水剂120g，加入2500ml水，搅拌30分钟。
(3)加入聚丙烯纤维15g，搅拌三分钟，测试稠度和分层度。
(4)将制备好的砂浆拌合物，分别倒入40×40×160mm和30×30×300mm的模子，制备性能测试用的标准试块，标准养护至拆模。
(5)标养养护7天、自然养护21天，测试28天力学性能以及导热系数。
砂浆的性能
  稠度   抗压强度   抗折强度   导热系数   线性收缩率   粘结强度   干容重
  90mm   6.03mpa   1.9mpa   0.2622   2.23mm/m   0.376MPa   1391kg/m3
实施例2：石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆
(1)将1.5公斤石蜡微胶囊和1000g硅烷偶联剂KH560混合，并加入600ml水，搅拌充分，使石蜡微胶囊表面湿润，再加入192g粘结剂乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳液，搅拌充分，得到表面改性后的石蜡微胶囊预混料。
(2)将砂浆搅拌机湿润，将称量好的水泥3kg和细砂(细度模数1.6-2.2)7kg加入到搅拌机内，加入改性后的石蜡微胶囊预混料和早强减水剂120g，加入1100ml水，搅拌20分钟。
(3)加入聚丙烯纤维15g，搅拌三分钟，测试稠度和分层度。
(4)将制备好的砂浆拌合物，分别倒入40×40×160mm和30×30×300mm的模子，制备性能测试用的标准试块，标准养护至拆模。
(5)标养7天、自然养护21天，测试28天力学性能以及导热系数。
砂浆的性能
  稠度   抗压强度   抗折强度   导热系数   干容重
  71mm   6.51mpa   4.48mpa   0.1135   1704kg/m3
实施例3：石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆
(1)将0.5公斤石蜡微胶囊和400g硅烷偶联剂KH550混合，并加入800ml水，搅拌充分，使石蜡微胶囊表面湿润，再加入192g粘结剂乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳液，搅拌充分，得到表面改性后的石蜡微胶囊预混料。
(2)将砂浆搅拌机湿润，将称量好的水泥3kg和细砂(细度模数1.6-2.2)8.5kg加入到搅拌机内，加入改性后的石蜡微胶囊预混料和早强减水剂120g，加入1600ml水，搅拌2分钟。
(3)加入聚丙烯纤维15g，搅拌三分钟，测试稠度和分层度。
(4)将制备好的砂浆拌合物，分别倒入40×40×160mm和30×30×300mm的模子，制备性能测试用的标准试块，标准养护至拆模。
(5)标养7天、自然养护21天，测试28天力学性能以及导热系数。
砂浆的性能
  稠度   抗压强度   抗折强度   导热系数   线性收缩率   粘结强度   干容重
  75mm   11.5mpa   3.5mpa   0.1885   1.97mm/m   0.376MPa   1813kg/m3
实施例4，一步法制备石蜡微胶囊：
将1.8kg聚乙烯醇加入釜中，然后再加入48L水，保持温度80℃、搅拌速度800rmp，使聚乙烯醇完全溶解，再加入2.93kg尿素。用0.5mol/L盐酸调节溶液pH值至2，再将6.3kg的粉碎石蜡加入，至石蜡完全溶解。将温度控制在70℃，加入5.52L甲醛溶液，反应2小时，然后加入0.25kg的间苯二酚，继续反应1.5小时。离心过滤，用80℃热水洗产品三次，再离心过滤，产品为粉末状。
石蜡微胶囊的热焓110J/g，范围40～80℃，峰值64℃，平均粒径45μm。

Claims (4)

1.石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆，其特征在于，所述砂浆含有水泥、细砂、石蜡微胶囊、偶联剂、粘结剂、聚丙烯纤维和外加剂，其中水泥与细砂的重量比例为1∶2.5～3.5，石蜡微胶囊的用量为水泥的15wt％～67wt％，偶联剂含量为水泥的5wt％～34wt％，粘结剂用量为水泥的5wt％～10wt％，纤维用量为水泥的0.2wt％～1.5wt％，外加剂用量为水泥的3wt％～5wt％；
所述偶联剂采用以下硅烷偶联剂中的一种：
KH570分子式CH2＝C(CH3)COO(CH2)3Si(OCH3)3)，
KH560分子式CH2CHCH2O(CH2)3Si(OCH3)3，
KH550分子式NH2(CH2)3Si(OC2H5)3，
NSC-151分子式CH2＝CHSi(OCH2CH3)3，
SG-Si602分子式NH2(CH2)2NH(CH2)3SiCH3(OCH3)2；
所述粘结剂采用乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液；
所述外加剂为早强减水剂。
所述细砂的细度模数1.6-2.2.。
2.如权利要求1所述的石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆，其特征在于，所述石蜡微胶囊采用一步法制备，热焓110J/g，范围40～80℃，峰值64℃，平均粒径45μm。
3.如权利要求2所述的石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆，其特征在于，石蜡微胶囊是一步法制备，过程如下：1.0～2.0kg聚乙烯醇加入釜中，然后再加入48L水，保持温度80℃、搅拌速度800rmp，使聚乙烯醇完全溶解，再加入2.0～3.5kg尿素；用0.5mol/L盐酸调节溶液pH值至1～3，再将5.5～7.5kg的粉碎石蜡加入，至石蜡完全溶解；将温度控制在70℃，加入4.5～6.0L甲醛溶液，反应2小时，然后加入0.2～0.3kg的间苯二酚，继续反应1.5小时；离心过滤，用80℃热水洗产品三次，再离心过滤，产品粉碎为粉末状。
4.权利要求1-3之任一项所述的石蜡微胶囊相变蓄热保温砂浆的制备方法，其特征在于，称出各材料用量，将石蜡微胶囊、偶联剂和粘结剂混合，并搅拌充分，制备石蜡微胶囊预混料；将砂浆搅拌机湿润，再将细砂、水泥加入搅拌机内，加入石蜡微胶囊预混料和早强减水剂，搅拌，将水慢慢加入；再加入聚丙烯纤维，搅拌，测量稠度和分层度；将砂浆拌和物倒入拌和铁板上，用拌铲翻拌，使之均匀，然后倒入模子中，养护。
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