类型a:学术研究报告
作者及机构
本研究由Khaled Own Mohaisen(通讯作者)、Md Hasan Zahir、Salah U. Al-Dulaijan、Shamsad Ahmad、Mesfer M. Al-Zahrani和Mohammed Maslehuddin共同完成。研究团队来自沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿产大学(King Fahd University of Petroleum and Minerals, KFUPM)的多个跨学科研究中心,包括可持续能源系统研究中心(IRC-SES)、建筑与建筑材料研究中心(IRC-CBM)以及计量、标准与测试应用研究中心(ARC-MST)。研究成果发表于《Journal of Building Engineering》2025年第99卷,文章编号111575。
学术背景
本研究属于建筑节能与相变材料(Phase Change Materials, PCMs)领域。全球建筑能耗占总能源消耗的40%,其中制冷需求在炎热地区(如阿拉伯海湾国家夏季气温高达50°C)尤为突出。传统相变材料(如石蜡、脂肪酸)虽能通过潜热储能调节室内温度,但存在成本高、导热性差、易泄漏等问题。因此,本研究旨在开发一种低成本、高稳定性的复合相变材料(SCPC),以火山渣(Scoria, SC)为载体、聚乙二醇(Polyethylene Glycol, PEG)为储能介质,并利用水泥涂层解决泄漏问题,最终将其应用于混凝土中以提升建筑围护结构的热性能。
研究流程与方法
1. SC/PEG复合相变材料(SCP)的制备与优化
- 材料选择:采用天然多孔火山渣(SC)作为载体,PEG-6000(分子量6000 g/mol)作为相变材料。
- 真空浸渍工艺:在70°C、0.1 MPa真空条件下,将PEG熔融注入SC孔隙中。通过重量增益实验确定最佳PEG负载量为47%(60% PEG溶液)。
- 表征分析:通过X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)证实SC与PEG无化学反应;扫描电镜(SEM)显示PEG完全填充SC孔隙;差示扫描量热(DSC)测得SCP的熔融焓为69.8 J/g,较纯PEG降低64%。
水泥涂层SCP(SCPC)的开发与性能验证
SCPC混凝土的制备与性能测试
主要结果与逻辑关联
- SCP的优化负载量(47% PEG)为后续涂层工艺提供基础,而水泥涂层成功解决了PEG泄漏问题(图9)。
- DSC与TGA数据(图8、12)证明SCPC的热稳定性,支持其在实际气候条件下的应用潜力。
- 混凝土抗压强度与热性能的权衡表明,M60SCPC为最佳平衡点(导热系数1.3 W/m·K,强度22.8 MPa)。
结论与价值
1. 科学价值:首次将火山渣/PEG复合相变材料与水泥涂层结合,开发出兼具高储能效率(96.7%)和结构适用性的SCPC混凝土。
2. 应用价值:在炎热地区建筑中,SCPC混凝土可降低空调能耗(通过温度延迟效应),并适用于非结构构件(如墙体、楼板)。
3. 创新性:
- 方法创新:真空浸渍工艺优化了PEG负载效率;水泥涂层替代传统环氧树脂,降低成本。
- 材料创新:SCPC的熔融温度(57.7°C)显著高于文献报道的PCMs(12~31°C),更适合高温气候。
研究亮点
1. 通过多尺度表征(XRD、SEM、DSC)揭示了SCP的稳定机制。
2. 提出“水泥涂层防泄漏”方案,解决了PCM在混凝土中的工程应用难题。
3. 系统性评估了SCPC混凝土的力学-热性能协同效应,为建筑节能设计提供数据支持。
其他价值
研究团队建议未来探索SCPC在石膏等其他建材中的应用,并进一步优化PEG与其他载体的兼容性。