建筑用相變材料熱可靠性測(cè)試方法

I建筑用相變材料熱可靠性測(cè)試方法范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了利用加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)和差示掃描量熱法測(cè)定建筑用固液相變材料熱可靠性的測(cè)試方法。熱可靠性通過(guò)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前后相變溫度和相變潛熱的變化量來(lái)判定。本標(biāo)準(zhǔn)適用于建筑用固液相變材料的熱可靠性測(cè)試。規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T19466.1-2004塑料差示掃描量熱法（DSC）第1部分：通則GB/T19466.3-2004塑料差示掃描量熱法（DSC）第3部分：熔融和結(jié)晶溫度及熱焓的測(cè)定GB/T22232-2008化學(xué)物質(zhì)的熱穩(wěn)定性測(cè)定差示掃描量熱法術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。3.1建筑用相變材料Phasechangematerialsusinginbulidings應(yīng)用于建筑中的可以隨溫度變化而改變物質(zhì)相態(tài)，并能提供潛熱儲(chǔ)存和釋放的物質(zhì)。3.2熱可靠性Thermalreliability相變材料在工作溫度和時(shí)間內(nèi)維持其儲(chǔ)存和釋放熱量的能力。建筑用相變材料的熱可靠性是根據(jù)相變材料在多次熔化、凝固后其相變溫度和相變潛熱的變化量來(lái)衡量的。3.3相變溫度Phasechangetemperature在某一特定溫度下，相變材料吸收或釋放熱量從一種物相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物相，此對(duì)應(yīng)的溫度稱為相變溫度。相變溫度又分為熔化溫度和凝固溫度。DSC測(cè)試曲線中，外推基線與對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)變開(kāi)始的曲線最大斜率處所作切線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，單位為℃或K。3.4相變潛熱Phasechangelatentheat單位質(zhì)量的相變材料，在一定溫度條件下，從一種物相完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物相時(shí)吸收或放出的熱量。相變潛熱又分為熔化潛熱和凝固潛熱，對(duì)應(yīng)DSC測(cè)試曲線中相變峰的峰面積，單位為J/g或kJ/kg。3.5相變潛熱的變化率phasechangelatentheatchangerate建筑用相變材料在經(jīng)過(guò)多次熔化、凝固過(guò)程后，相變潛熱值的變化百分比。3.6加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)Acceleratedthermalcycleexperiment將試驗(yàn)樣放置于具有溫控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置中，使試驗(yàn)樣在裝置控制溫度范圍內(nèi)快速升溫、降溫，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)樣的潛熱蓄熱和放熱循環(huán)過(guò)程。3.7差示掃描量熱法Differentialscanningcalorimetry（DSC）在程序溫度控制下，測(cè)量輸入到試樣和參比樣的熱流速率（熱功率）差對(duì)溫度和/或時(shí)間的關(guān)系的一種熱分析法?？梢酝ㄟ^(guò)DSC測(cè)試出建筑用相變材料的相變溫度和相變潛熱。原理和方法相變材料在經(jīng)過(guò)多次熔化、凝固循環(huán)后，其相變溫度和相變潛熱會(huì)發(fā)生變化，從而影響其調(diào)控溫度和儲(chǔ)存與釋放熱量的能力。利用加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)建筑用相變材料進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的快速熔化、凝固循環(huán)，并測(cè)試建筑用相變材料的相變溫度和相變潛熱變化量。相變溫度和相變潛熱采用DSC測(cè)定，利用加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前后相變材料的DSC測(cè)試結(jié)果對(duì)比來(lái)判定建筑用相變材料的熱可靠性。儀器5.1 加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置由電源系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)箱體組成的可以快速實(shí)現(xiàn)溫度改變的試驗(yàn)裝置。加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置的溫度控制應(yīng)滿足：溫度范圍包含所測(cè)試建筑用相變材料的使用溫度范圍，溫度精度：偏差在±1℃之內(nèi)，達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間≤20min，裝置溫度可以如圖1所示連續(xù)變化設(shè)定。加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置容器不與所測(cè)試相變材料發(fā)生反應(yīng)，包括耐高溫塑料管、玻璃管等。根據(jù)建筑用相變材料種類和應(yīng)用，控溫裝置宜采用高低溫實(shí)驗(yàn)箱、金屬浴、擴(kuò)增儀等。5.2 差示掃描量熱儀差示掃描量熱儀應(yīng)符合下列規(guī)定：a）溫度控制器：儀器可以根據(jù)程序設(shè)定，在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，升降溫速率在1℃/min-20℃/min可控。誤差為±0.1℃/min；b）溫度范圍：儀器應(yīng)具有冷卻裝置，且冷卻裝置的冷卻溫度應(yīng)達(dá)到低于相變材料使用溫度；c）氣體氛圍：控制測(cè)試惰性條件（氮?dú)?、氬氣）或活性條件（空氣）的氣體流量控制在10mL/min-50mL/min，惰性氣體純度達(dá)到99.999%以上；d）試樣容器：坩堝不與測(cè)試樣品發(fā)生反應(yīng)，包括鋁坩堝、氧化鋁坩堝。5.3 電子天平電子天平不少于2臺(tái)。一臺(tái)量程不少于100g，精度為0.01g。一臺(tái)量程不少于1g，精度為0.0001g。試驗(yàn)過(guò)程6.1 加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)包括下列各項(xiàng)：——取樣量；——高溫T1；——低溫T2；——高溫恒溫時(shí)間t1；——低溫恒溫時(shí)間t2；——試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。6.1.1 試驗(yàn)取樣根據(jù)加速熱循環(huán)裝置的規(guī)格，從待測(cè)相變材料中隨機(jī)稱取3-5份試驗(yàn)樣，每份試樣不少于1g，裝于合適的容器中，密封。6.1.2 高、低溫及恒溫時(shí)間的確定加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)設(shè)置的高溫設(shè)定應(yīng)不低于建筑用相變材料在使用過(guò)程中的最高使用溫度，低溫設(shè)定應(yīng)不高于建筑用相變材料在使用過(guò)程中的最低使用溫度。將根據(jù)6.1.1所取試驗(yàn)樣放置于加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置中，并根據(jù)6.1.2設(shè)定加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置的高、低溫。試驗(yàn)確定試驗(yàn)樣在高溫下完全熔化和凝固所需最短時(shí)間，此時(shí)間分別為高溫、低溫恒溫時(shí)間t1、t2。6.1.3 循環(huán)次數(shù)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)不小于建筑用相變材料在預(yù)期使用期間完成熔化、凝固的次數(shù)。6.1.4 循環(huán)試驗(yàn)根據(jù)6.1.2和6.1.3所確定的高、低溫及其恒溫時(shí)間和加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)，按圖1所示示意圖對(duì)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置進(jìn)行溫度設(shè)定。重新根據(jù)6.1.1取樣，并放置于加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置中，開(kāi)啟加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置，使試驗(yàn)樣開(kāi)始加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)。待完成加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后，取出試驗(yàn)樣，待測(cè)。圖1加速冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)的溫度-時(shí)間曲線示意圖6.2 DSC測(cè)試試驗(yàn)6.2.1 取樣從每份加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的試驗(yàn)樣中取樣3次，每個(gè)樣品的重量在1～10mg范圍內(nèi)，且每個(gè)樣品間的質(zhì)量差＜1mg。6.2.2 DSC測(cè)試DSC測(cè)試的儀器校準(zhǔn)、樣品稱量與放置、儀器操作與試驗(yàn)步驟和測(cè)試結(jié)果表示按照GB/T19466.1-2004/ISO11357-1:1997和GB/T19466.3-2004/ISO11357-3:1999的規(guī)定。首先對(duì)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的原料進(jìn)行DSC測(cè)試，然后對(duì)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的試驗(yàn)樣進(jìn)行DSC測(cè)試。6.2.3 DSC結(jié)果根據(jù)DSC測(cè)試結(jié)果，在DSC曲線上利用相應(yīng)軟件得到測(cè)試材料熔化溫度（Tm），凝固溫度（Tf），熔化潛熱（Hm）和凝固潛熱（Hf），如圖2所示。樣品的熔化、凝固溫度和熔化、凝固潛熱值是DSC測(cè)試的平均值。圖2典型相變材料DSC曲線注：每個(gè)樣品的熔化和凝固溫度測(cè)試偏差應(yīng)在0.5℃之內(nèi)，熔化和凝固潛熱的測(cè)試偏差應(yīng)在3.5%內(nèi)（見(jiàn)GB/T22232-2008）數(shù)據(jù)處理建筑用相變材料的熱可靠性是通過(guò)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后，相變材料的熔化、凝固溫度和熔化、凝固潛熱的變化量來(lái)判定的。計(jì)算見(jiàn)式（1）-式（4）：Tm=Tc，m-Tm……（1）Tf=Tc，f-Tf……（2）=QUOTE（Hc，m-Hm）/Hm×100%……（3）=QUOTE（Hc，f-Hf）/Hf×100%……（4）式中：Tm——熔化溫度的變化量；Tf——凝固溫度的變化量；——熔化潛熱的變化率；——凝固潛熱的變化率；Tm——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的平均熔化溫度，單位為攝氏度（℃）；Tf——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的平均凝固溫度，單位為攝氏度（℃）；Hm——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的平均熔化潛熱，單位為焦每克（J/g）；Hf——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的平均凝固潛熱，單位為焦每克（J/g）；Tc，m——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的平均熔化溫度，單位為攝氏度（℃）；Tc，f——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的平均凝固溫度，單位為攝氏度（℃）；Hc，m——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的平均熔化潛熱，單位為焦每克（J/g）；Hc，f——建筑用相變材料加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的平均凝固潛熱，單位為焦每克（J/g）。報(bào)告測(cè)試報(bào)告應(yīng)包括下列內(nèi)容：測(cè)試相變材料種類、基本性能參數(shù)；相變材料應(yīng)用領(lǐng)域、可使用地區(qū)等；加速冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)格參數(shù)；加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)樣品用量、溫度設(shè)定情況和循環(huán)次數(shù)；DSC儀器規(guī)格參數(shù)；DSC測(cè)試條件，包括：樣品用量、程序溫度、氣體氛圍等；相變材料加速冷熱循環(huán)前后的DSC測(cè)試曲線；相變材料加速冷熱循環(huán)后的相變溫度變化和相變潛熱變化率；測(cè)試日期。

附錄A（資料性附錄）相變蓄熱水箱用相變材料熱可靠性測(cè)示例A.1利用相變蓄熱水箱提供生活熱水，相變蓄熱水箱的最高使用溫度約為70℃，低溫使用溫度約為15℃，按照標(biāo)準(zhǔn)GB50015-2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于用熱側(cè)常用衛(wèi)生器具對(duì)熱水溫度的要求，相變蓄熱水箱所能提供的熱水溫度應(yīng)不小于45℃，選用相變溫度約為54℃的肉豆蔻酸作為相變蓄熱水箱中的相變材料。蓄熱水箱的使用年限為15年。示例如下：測(cè)試相變材料種類、基本性能參數(shù)；肉豆蔻酸（純度：99%，分子式：C14H28O2，分子量：228.37，形態(tài)：白色固體，相變溫度54℃，相變潛熱：180J/g）。相變材料應(yīng)用領(lǐng)域、可使用地區(qū)；用于相變蓄熱水箱以提供生活熱水，可適用于不同地區(qū)。加速冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)格參數(shù)；快速加熱和冷卻的控制裝置：ThermQ恒溫金屬浴，溫度設(shè)定范圍：0℃-100℃，控溫精度≤±0.2℃，升、降溫時(shí)間≤8min，時(shí)間設(shè)定范圍0-99h59min，容量：35*2ml。加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)樣品用量、溫度程序設(shè)定和循環(huán)次數(shù)；從待測(cè)樣品出隨機(jī)取出5g肉豆蔻酸，分別等量放置于5個(gè)2ml的塑料管中，密封，分別編號(hào)1#，2#，3#，4#，5#。恒溫金屬浴溫度程序設(shè)定為70℃恒溫5min，然后降至10℃并恒溫5min。加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)為5500次。（肉豆蔻酸用于相變蓄熱水箱的使用溫度范圍為15-70℃，根據(jù)加速冷熱循環(huán)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定高、低溫恒溫時(shí)間為5min，相變蓄熱水箱中相變材料按照日調(diào)節(jié)計(jì)算使用年限內(nèi)的相變次數(shù)為15*365=5475次。）DSC儀器規(guī)格參數(shù)；美國(guó)TA公司Q20，氮?dú)獗Ｗo(hù)，測(cè)溫范圍-90℃-720℃，溫度精度：±0.05℃，量熱精度：±0.1%。DSC測(cè)試條件，包括：樣品用量、程序溫度、氣體氛圍等；對(duì)加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前的原料取樣3次，每次稱取5-10mg，且3次質(zhì)量偏差＜1mg。放置于鋁盤(pán)中，壓蓋待測(cè)。對(duì)5份加速冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)后的樣品取樣，每份待測(cè)樣品取樣3次，每次稱取5-10mg，同一樣品質(zhì)量偏差＜1mg。DSC測(cè)試測(cè)試溫度程序?yàn)?0℃-80℃-20℃，升降溫速率為5℃/min，99.999%氮?dú)鈿夥?，氣流流量?0mL/min。相變材料加速冷熱循環(huán)前后的DSC測(cè)試曲線；圖A.1加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)前肉豆蔻酸的DSC測(cè)試曲線圖A.2加速冷熱循環(huán)試驗(yàn)后肉豆蔻酸的DSC測(cè)試曲線