1、NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS0前言我国实现碳达峰、碳中和目标的关键一环是减少建筑运行中的二氧化碳排放1。在全国碳排放总量过大的情况下，建筑全过程碳排放所占比例超过 50%。建筑方面的能源消耗主要有采暖、制冷和通风设备等方面。因此开发和应用建筑节能材料是节约能耗的重要途径。近年来，相变材料因其在储能方面独特的性能，开始广泛应用于建筑材料领域，引起了业内的关注。相变材料具有相变温度恒定、蓄热密度大等优点，然而固-液相变材料在相变过程中易发生液相的流动和渗漏等，解决此问题的有效方法之一是相变材料微胶囊化2-3。相变材料微胶囊化是将特定温度范
2、围的相变材料用高分子材料或无机材料以物理或化学方法包覆起来，制成常态下稳定的固体微粒，隔绝外界对相变材料的影响，控制材料相变体积变化的新兴储能技术4-5。相变微胶囊可通过原位聚合法、悬浮聚合法、界面聚合法、溶胶-凝胶法和溶剂挥发法等多种基金项目：邯郸市科学技术研究与发展计划项目（21212051056）；河北省高等学校科学技术研究项目（QN2022155）；河北工程大学博士专项基金项目（SJ2101003140）收稿日期：2022-09-25；修订日期：2023-01-18作者简介：文颖，女，1998 年生，硕士研究生，E-mail：。通讯作者：安金亮，博士，副研究员，E-mail：。相变微胶
3、囊改性砂浆界面传热机理研究文颖1，汤胜1，孙赛玲2，申兆波2，崔俊杰3，安金亮1（1.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸056038；2.广州市香港科大霍英东研究院 工程材料及可靠性研究中心，广东 广州511458；3.广州智微新材科技有限公司，广东 广州511458）摘要：以二氧化硅为壳材、石蜡为芯材制备相变微胶囊，并与水泥掺混制备相变微胶囊改性砂浆，研究相变微胶囊掺量对改性砂浆热性能的影响。研究表明，随着微胶囊掺量增加，改性砂浆试样的内表面温度降低，升温速率下降，导热系数减小。当相变微胶囊掺量为 20%时，导热系数较纯砂浆试样降低了 0.49 W/（m K）。基于 COMSOL 软件，
4、建立有限元模型，从微观尺度分析相变过程传热机理，以及相变微胶囊与水泥砂浆基质接触界面的传热情况。试块的外表面受热温度为 50 时，添加相变微胶囊的水泥砂浆内表面温度和中心剖切面温度较纯水泥砂浆分别降低 0.30、1.16。关键词：相变微胶囊；水泥砂浆；模拟仿真；界面热传导中图分类号：TU55文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0141-06Mechanism investigation on interface heat transfer of phase change microcapsule modified mortarWEN Ying1，TANG Sheng1，
5、SUN Sailing2，SHEN Zhaobo2，CUI Junjie3，AN Jinliang1（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China；2.Center for Engineering Materials andReliability，HKUST Fok Ying Tung Research Institute，Guangzhou 511458，China；3.Guangzhou New Materials Intelligent Technology Co.Ltd
6、.，Guangzhou 511458，China）Abstract：Phase change microcapsules were prepared by using silica（SiO2）as shell material and paraffin as core material，andthen mixed with cement to prepare phase change microcapsules modified mortar（SiO2-MEPCM）.The influence of phase change microcapsules with different dosag
7、e on the thermal properties of modified cement mortar was studied.The results show that with theincrease of microcapsule content，the inner surface temperature of the modified mortar sample decreases，the heating rate decreases，and the thermal conductivity decreases.When the content of phase change mi
8、crocapsule is 20%，the thermal conductivity is reduced by 0.49 W/（m K）compared with the pure mortar sample.Based on COMSOL software，the finite element model was established to analyze the heat transfer mechanism of phase transition process and the heat transfer at the contact interface betweenphase t
9、ransition microcapsule and cement mortar matrix from the microscopic scale.When the temperature of the outer surface ofthe test block was 50，the inner surface temperature and central section surface temperature of the cement mortar test block withphase change microcapsule decreased by 0.30 and 1.16，
10、respectively，compared with the pure cement mortar test block.Key words：phase change microcapsule，cement mortar，simulation，interfacial heat transfer中国科技核心期刊141新型建筑材料202302方法制备。相变微胶囊的工作原理是当微胶囊中的相变材料从环境中吸收或释放热量，并处于固液混合态时，相变材料的温度会保持恒定6-7。邱庆龄8以纳米 TiO2改性相变微胶囊，导热系数提高了 16.47%。将相变材料微胶囊掺入建筑材料中增强了储热能力，使用少量相变材料
11、就可以达到储存大量热量的目的。苏高伟和武强华9研究了相变微胶囊对复合材料储热性能和力学性能的影响，结果表明，复合材料的储热性能随相变材料微胶囊掺量的增加而提高，而力学性能呈下降趋势。张璐丹等10研究认为，采用相变微胶囊涂料粉刷的房间相比传统普通房间的温度振幅降低了 56，在某日最高温度时段的电量监测表明节能约 26%。张翮11研究发现，相变储能复合材料与普通硅酸盐水泥作为墙板的模型相比，墙体最大温差为 13.1，室内最大温差为 6.22，证明相变储能复合材料对温度具有一定的调节作用。可以看出，大部分学者研究集中在相变微胶囊与建筑材料共掺，增强建筑材料的储热能力，达到特定节能效果方面。但鲜有关于
12、水泥砂浆/微胶囊界面微观传热机理方面的研究。本研究以二氧化硅为壳材、石蜡为芯材制得相变微胶囊（SiO2-MEPCM），并进一步与水泥共混制备相变微胶囊改性砂浆。研究微胶囊对改性砂浆导热系数和传热性能的影响。并基于 COMSOL Multiphysics 对相变微胶囊和改性砂浆接触界面的微观传热过程进行有限元模拟，分析其相变传热规律。1试验1.1原材料及仪器设备28 石蜡、聚乙烯醇：分析纯，上海麦克林科技有限公司；环己烷、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）：分析纯，山东中纳海盛化工有限公司；六亚甲基二异氰酸酯（HDI）：分析纯，山东万华化学有限公司；聚乙烯亚胺（PEI）：分析纯，上海金锦乐实业有限公司
13、；水泥：P O42.5R，广东清新水泥有限公司；河砂：平均粒径 0.50.25 mm，振河矿产品加工厂；减水剂：天津伟合科技发展有限公司。悬臂式搅拌机：Eurostar20 Digital，IKA（广州）仪器设备有限公司；数显增力电动搅拌器：JJ-1A，金坛区西城新瑞仪器厂；磁力智能彩显加热搅拌器：TP-350，杭州米欧仪器有限公司；水泥胶砂搅拌机：JJ-5 型，无锡迈方仪器设备有限公司；混凝土搅拌机：HJW-30，河北科信仪器设备有限公司；恒温恒湿试验箱：KW-TH-150F，东莞市科文设备有限公司；正置金相显微镜：102DS，上海光学仪器五厂；扫描电子显微镜：JSM6390，日本电子株式会
14、社；差示扫描量热仪：Q200，美国TA 公司；导热系数测定仪：Hot Disk TPS2500S，瑞典 Hot Disk公司。1.2相变微胶囊的制备相变微胶囊的制备工艺：（1）溶液配制：石蜡、六亚甲基二异氰酸酯（HDI）和环己烷均匀混合得到油相 A；一定量的 2.5%聚乙烯醇溶液和适量去离子水混合均匀得到水相 B；适量的MTMS 与盐酸（pH 值=3）按 12 比例混合，预水解 1.5 h，得到溶液 D。（2）反应过程：将油相 A 缓慢滴加到水相 B 中，在转速 1000 r/min 下乳化 5 min 得到乳液 C。升温至 55 后，将一定量的 1%聚乙烯亚胺（PEI）缓慢滴加到乳液 C 中
15、，在转速300 r/min 下搅拌 2 h，得到包裹一层薄膜的微胶囊乳液。然后降温至 35，将溶液 D 缓慢滴入，继续反应 4 h，得到微胶囊，过滤干燥得到微胶囊粉末（粒径 1060 m）。1.3相变微胶囊改性砂浆的制备相变微胶囊改性砂浆的水灰比初始定为 0.4，相变微胶囊掺量分别为水泥质量的 0、10%、20%。首先，将水泥、砂与微胶囊混合加入搅拌机内，干拌均匀，再将溶解好的减水剂溶液加入其中；然后，将一定量水加入制备的混合物中，搅拌 20 min后将其浇筑到涂有脱模剂的模具中，此过程中不断振动模具，以排除搅拌过程中产生的气泡，将砂浆的表面用抹刀抹平。在（205）的环境下静置 24 h 后脱
16、模（掺加相变微胶囊的试样静置 23 d 脱模），脱模后放入温度（202）、相对湿度 90%以上的环境中养护 28 d。1.4控温性能测试图 1 为砂浆试样传热性能测试。使用泡沫保温箱作为试验箱，箱内放置加热板，先在砂浆试块内外表面固定热电偶，再把砂浆试块放入试验箱，固定好试块。使用加热板对砂浆外表面进行加热，测试试样分别在 50 （近似实际墙体外表面温度）、70 下加热 3 h，然后结束加热自然降温，观察比较试样内表面温度达到热平衡时的温度（峰值温度）情况。图 1砂浆试样传热性能测试2结果与讨论2.1相变微胶囊的性能表征2.1.1相变微胶囊的微观形貌（见图 2）文颖，等：相变微胶囊改性砂浆界面传热机理研究142NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS图 2相变微胶囊（SiO2-MEPCM）的微观形貌由图 2 可知，相变微胶囊的粒径范围为 1060 m，具有规则的球形，形貌规整、分散性优良。球形表面有少量的纳米粒子团簇，由于纳米 SiO2之间相互作用，容易团聚成块，沉积在微胶囊表面。2.1.2相变微胶囊储热性能分析相变芯材和相变微胶囊的 D
