將微膠囊技術(shù)將相變材料 PCM 結(jié)合到建筑材料中的2種主要方法

將相變材料 (PCM) 結(jié)合到建筑材料中，以通過(guò)熱能儲(chǔ)存 (TES) 和熱調(diào)節(jié)來(lái)提高建筑物的能源效率。PCM 在其相變溫度下將其相從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，反之亦然，吸收或釋放大量能量。通過(guò)將 PCM 集成到建筑材料中，可以顯著增加建筑物的熱慣性（質(zhì)量）。在縮小能源/電力需求的高峰和非高峰負(fù)荷之間的差距、減少晝夜溫度波動(dòng)以及利用夜間自然冷卻來(lái)削減白天的高峰冷負(fù)荷方面，PCM 被認(rèn)為是一種很有前景的 TES 方法。

兩種主要方法已被用于將 PCM 摻入建筑材料中：

(1) PCM 的微封裝

PCM 被封裝在保護(hù)性聚合物外殼中。所生產(chǎn)的微囊化 PCM 可以通過(guò)加熱/冷卻循環(huán)盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保存 PCM。這種微封裝方法增加了傳熱面積，降低了 PCM 的反應(yīng)性，限制了與建筑材料的相互作用，增強(qiáng)了低導(dǎo)熱性，并有利于 PCM 的處理。然而，它也存在一些缺點(diǎn)，阻礙了 PCM 在建筑材料中的實(shí)際應(yīng)用。例如，保護(hù)殼由通常具有低機(jī)械剛度和強(qiáng)度的聚合物制成。因此，添加微膠囊可顯著降低建筑材料的機(jī)械剛度和強(qiáng)度。微膠囊在混凝土攪拌過(guò)程中也很容易破裂，導(dǎo)致 PCM 泄漏。聚合物殼還具有低化學(xué)和熱穩(wěn)定性。它會(huì)因紫外線(xiàn)、氧化和其他腐蝕性化學(xué)物質(zhì)而變質(zhì)。當(dāng)溫度超過(guò)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，它也會(huì)失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導(dǎo)率通常非常低，使得外殼內(nèi)部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。微膠囊在混凝土攪拌過(guò)程中也很容易破裂，導(dǎo)致 PCM 泄漏。聚合物殼還具有低化學(xué)和熱穩(wěn)定性。它會(huì)因紫外線(xiàn)、氧化和其他腐蝕性化學(xué)物質(zhì)而變質(zhì)。當(dāng)溫度超過(guò)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，它也會(huì)失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導(dǎo)率通常非常低，使得外殼內(nèi)部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。微膠囊在混凝土攪拌過(guò)程中也很容易破裂，導(dǎo)致 PCM 泄漏。聚合物殼還具有低化學(xué)和熱穩(wěn)定性。它會(huì)因紫外線(xiàn)、氧化和其他腐蝕性化學(xué)物質(zhì)而變質(zhì)。當(dāng)溫度超過(guò)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，它也會(huì)失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導(dǎo)率通常非常低，使得外殼內(nèi)部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。當(dāng)溫度超過(guò)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，它也會(huì)失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導(dǎo)率通常非常低，使得外殼內(nèi)部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。當(dāng)溫度超過(guò)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，它也會(huì)失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導(dǎo)率通常非常低，使得外殼內(nèi)部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。

(2) 形狀穩(wěn)定的 PCM 復(fù)合材料。

在第二種方法中，PCM首先被吸收到多孔材料中，例如輕質(zhì)骨料和硅藻土顆粒，形成穩(wěn)定的復(fù)合材料，然后將其添加到建筑材料中。當(dāng)使用多孔顆粒吸收 PCM 時(shí)，復(fù)合材料表面沒(méi)有保護(hù)層。因此，一旦溫度超過(guò)相變材料，PCM 仍會(huì)從多孔材料中泄漏，從而導(dǎo)致所聲稱(chēng)的儲(chǔ)熱容量降低或損失。

在將 PCM 以外的材料引入建筑材料時(shí)，已經(jīng)嘗試過(guò)類(lèi)似的方法。這在將外加劑引入混凝土?xí)r尤其普遍。當(dāng)外加劑直接添加到混合物中時(shí)，外加劑和水泥水化之間的不相容性是混凝土制造中的主要問(wèn)題。例如，減水劑是混凝土中最常用的外加劑，可能會(huì)產(chǎn)生不良的副作用，例如快速喪失和易性、過(guò)度加速/延遲凝固、降低強(qiáng)度增益率和長(zhǎng)期性能變化。同樣，用于減少混凝土構(gòu)件的干燥和自收縮的減縮外加劑也會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生副作用，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低混凝土的水泥水化速率和強(qiáng)度發(fā)展。

作為混凝土的主要成分，水還被用作高強(qiáng)度混凝土 (HSC) 中的外加劑，以通過(guò)內(nèi)部養(yǎng)護(hù)減少混凝土的自收縮。自收縮主要是由自收縮引起的孔隙流體中的毛細(xì)張力引起的。在水灰比 (W/C) 低于 0.3 的 HSC 情況下，自收縮可占總收縮變形的 50% 以上。自收縮可導(dǎo)致早齡混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂。由于 HSC 的緊湊孔隙結(jié)構(gòu)和非常低的滲透率，這些開(kāi)裂問(wèn)題無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的全水固化來(lái)緩解。為了最大限度地減少或消除自收縮，必須在需要時(shí)在混凝土內(nèi)提供額外的水分。這種額外的水分主要用作混凝土中的外加劑。但是，在攪拌過(guò)程中不能直接添加到混凝土中，因?yàn)?HSC 的抗壓強(qiáng)度會(huì)顯著降低。

與水泥水化的不良相互作用會(huì)妨礙在混凝土中使用其他一些外加劑。例如，生物活性劑已被證明可以防止不銹鋼和鋁的腐蝕。它們提供了一種環(huán)保的方法來(lái)防止混凝土腐蝕。然而，當(dāng)這些生物活性劑簡(jiǎn)單地與混凝土混合時(shí)，混凝土的 28 天抗壓強(qiáng)度降低了 60% 以上。這是因?yàn)樯锘钚詣┛梢愿采w水泥顆粒的表面，從而阻止水泥顆粒與水反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生的CSH較少，抗壓強(qiáng)度低得多。

與 PCM 一樣，基于聚合物的微膠囊或多孔復(fù)合材料已被嘗試作為一種將外加劑摻入混凝土中的方法，而不會(huì)產(chǎn)生由外加劑和混凝土相互作用引起的不良影響。例如，改變粘度、賦予抗菌性能、提高耐腐蝕性或耐火性或改變所需水的組合物已被微囊化或吸附到多孔復(fù)合材料中，然后與混凝土混合。然而，如所指出的，這些方法可能具有缺點(diǎn)，例如微膠囊破裂、制造成本高、混合物泄漏、混合物輸送不良或性能不佳。

因此需要新的組合物和方法，可用于將 PCM 和其他外加劑摻入建筑材料如混凝土中。本文公開(kāi)的組合物和方法尋求解決這些和其他需要。