相變材料的基本概念

相變材料（Phase Change Material,PCM）是指随溫度變化而改變形态并能提供潛熱的物質。材料由固态向液态或液态向固态轉變時發生熱能轉變，稱為相變。傳統固态或液态蓄熱材料随着吸熱而溫度上升，但相變材料吸收熱量和釋放熱量時溫度保持恒定。相變材料按化學成分可分為無機相變材料及有機相變材料。無機類相變材料具有較高的熔解熱、固定的熔點、導熱系數高、相變時體積變化小等優點，主要用于中低溫相變材料。但一般鹽型的無機類相變材料循環使用時易發生“過冷”和“相分離”現象。有機類相變材料不易發生“過冷”及“相分離”現象，具有腐蝕性較小、性能穩定、固體成型較好、價格便宜等優點，但存在着導熱系數低、材料密度小、易揮發、損耗大、單位體積儲熱能力差、價格較高、存在可燃性等缺陷，從而會降低儲熱系統效能及限制其應用。為彌補無機或有機類相變材料單獨使用的缺點，達到最佳的應用效果，可制成有機／無機複合相變材料進行使用。

相變材料應用于牆體中的技術方法

相變材料與傳統牆體材料複合可制成具有蓄熱和調溫功能的新型牆體材料，可減少室内溫度的波動，提高舒适度，并降低建築物采暖、制冷所需能耗。将相變材料引入建築材料或建築構件中的常用方法有以下幾種：

1．直接浸漬法

直接将相變材料滲入多孔的基體中。這種方法的優點是便于控制加入量，制作工藝簡單，但相變物質洩漏對基體可能有腐蝕作用。丁四醇四硬脂酸酯與水泥、石膏的複合相變材料就可以用直接摻入法。這些材料可以用來提高舒适度，減少建築物的能耗，甚至減少的牆闆重量，但對相變材料和基體材料的相容性問題仍需進一步研究。

2．微膠囊技術

利用微膠囊技術将特定相變溫度範圍的相變材料，通過物理或化學方法用高聚物封裝形成直徑為0.1m～100m的顆粒，作為熱的傳遞介質，應用于建築材料，見圖12-1。相變過程中，封裝膜内的相變材料發生固-液相變，外層的高分子膜始終保持固态，因此用高分子膜封裝的相變材料在宏觀上始終為固态。作為壁材的膠囊殼體不能和牆體材料發生化學反應，膠囊化的相變材料避免了作為芯材的相變材料的外洩。但這種技術将大大增加材料的成本，制約了相變建築材料的推廣應用。

圖12-1 微膠囊相變材料封裝在輕型建築闆材中

3．定形相變材料的制備

面層均為混凝土，中間夾入不同厚度的相變儲能材料成為定形相變材料。定形相變材料越厚，牆體内表面溫度随外界溫度變化幅度越小，能夠有效降低室内空調設備的能耗；定形相變材料厚度一定時，不同的定形相變材料結構和布局對牆體内表面溫度波動情況影響較小，能耗差别不大。圖12-2為将固-液相變材料石蠟與支撐材料如高密度聚乙烯組合密封後形成定形相變材料應用于牆體中，沒有發現石蠟洩露的現象，通過調節石蠟的混合比從而調節相變溫度，可滿足不同地區建築物的儲能要求。

圖12-2石蠟封裝在高密度聚乙烯中

相變材料與建築材料的結合工藝

結合制備工藝和實際情況，目前相變材料與建材基體的結合工藝，主要有以下三種方法。

(1)摻加能量微球法 即将相變材料密封後置入建築材料中。近年來得到迅速發展的膠囊包封相變材料技術也屬于這一種，即膠囊摻混法。

(2)浸泡法 即通過浸泡将相變材料滲入多孔的建材基體(如石膏牆闆、水泥混凝土試塊等)。

(3)直接混合法 即将相變材料直接與建築材料混合。如将相變材料吸入半流動性的矽石細粉中，然後摻入建材中。

浸泡法制備相變儲能建築材料的優點是工藝簡單，可以使傳統的建築材料按要求變成相變建材。直接混合方法的優點在于結構簡單，性質更均勻，更易于做成各種形狀和大小的建築構件，以滿足不同的需要。但是這兩種方法均存在易洩漏且性能不穩定等問題。

采用膠囊技術對相變材料進行封裝，近年來得到了國内外專家們的廣泛關注，相變材料做成膠囊再與建築材料摻混有以下優點：

①可增大相變材料的比表面積和其熱導率；

②相變過程在膠囊内完成，可極大地消除“相分離”現象；

③提高相變材料的穩定性，降低一些相變材料的毒性；

④提高相變材料的耐久性，增加其使用壽命；

⑤相變材料微膠囊便于封裝，可滿足綠色環保新型材料的要求；

⑥通過選擇合适的相變材料微膠囊壁材料，可以避免相變材料與建築材料的不相容性造成的對建築材料熱性能與承重能力的影響。

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