南昌大学王信刚教授团队于J. Energy Storage发文:导电储热砂浆电热转换效率提升:碳纳米纤维复合微胶囊相变材料的作用机制

内容简介

     在寒冷地区，低温环境严重抑制水泥基材料的水化反应，导致混凝土强度发展缓慢、结构耐久性下降，而传统施工保温措施（如搭建暖棚、覆盖电热毯或添加外加剂）成本高、温升效果有限且难以精准控温；同时，建筑长期运行中普遍存在能耗高、保温性能不足的问题，造成能源浪费与室内热舒适性差。现有技术如欧姆热（OH）养护虽有快速均匀加热的优势，但单独使用时效果有限，而微胶囊相变材料（MPCMs）虽能储存热能，却因导热性差、电热转换效率低而难以直接应用于功能性建筑材料。

     通过材料与养护工艺的协同创新，突破寒冷地区现场施工与长期节能运维的双重难题。

     本研究制备了一种新型复合相变微胶囊，该微胶囊以石蜡为芯材，以掺入碳纳米纤维的乙基纤维素为复合壁材。采用环境扫描电子显微镜、热重分析、X 射线衍射、傅里叶变换红外光谱、差示扫描量热法及导热性能测试，对复合相变微胶囊的化学结构、微观形貌、储热性能、热稳定性与导热系数进行表征。随后利用改性复合相变微胶囊与碳纤维进一步制备导电储热砂浆，采用OH养护提升砂浆早期强度，并监测OH养护过程中的温度与电阻率变化。本研究核心目的在于探明掺入复合相变微胶囊对砂浆导电、导热及力学性能的影响规律。借助压汞试验、热重分析与环境扫描电子显微镜，探究羟基固化处理与复合相变微胶囊协同作用对导电储热砂浆微观结构演变的影响。该研究成果为严寒地区砂浆现场施工以及提升区域能源利用效率提供了可行思路。

     本研究采用溶剂蒸发法制备了具有高导热率和高相变焓的 CNF-PA@EC，用于制备导电储热砂浆（ECHSM）。阐明了 ECHSM 的加热效率、电学性能、早期强度和微观结构，发现掺入 CNF-PA@EC 的 ECHSM 具有较高的电-热转换效率。在本研究范围内，电-热转换效率被定义为在恒定功率输入下将电能转化为热量的能力，在相同条件下温升越高，表明转换性能越好。主要结论如下：

     （1）CNF10-PA@EC 具有良好的形貌和分散性，相变焓 > 128 J/g，封装效率 > 70%。经过 50 次热循环后，其焓值下降 < 6%，与 PA@EC 相比导热率提高了 42.07%，证实了其良好的热稳定性和导热性。

     （2）ECHSM 具有优异的电-热性能。当功率为 10 W 时，Mortar-MPCM4% 在最后 6 小时内稳定在 48.8°C–56.35°C，电阻率在合适范围内上升，这凸显了 CNF10-PA@EC 对砂浆中导电网络的优化作用。

     （3）经过 12 小时 OH 养护后再进行 12 小时冷冻，ECHSM 的力学性能得到改善。Mortar-MPCM4% 在 OH 养护下抗压强度达到 21.35 MPa，分别比 RT@Mortar 和 RT@Mortar-MPCM4% 高出 24% 和 51%。TG 和 MIP 分析证实，OH 养护改善了孔结构和水化程度，与力学结果一致。

     总之，MPCMs 作为功能载体，在 ECHSM 中构建了 CF-MPCM-CNF 分级导电网络，支持寒冷地区的有效 OH 养护和现场施工。嵌入的 MPCMs 实现了动态热调节，降低了建筑能耗，为寒冷气候下混凝土的现场施工和长期运维提供了新策略。

     尽管本研究初步证实了将 OH 养护技术与 MPCMs 相结合用于寒冷地区建筑现场施工和长期热运维的可行性，但未来工作中仍需解决两个关键问题，以实现从实验室成果到工程应用的跨越：（1）建立多尺度模型，阐明 ECHSM 在电-热激励下的能量转换、传递和存储机理；（2）探索 ECHSM 的长期力学性能，并开展长期耐久性实验，量化 OH 养护对砂浆力学和耐久性指标的影响，为实际工程中的材料设计和寿命预测提供进一步研究依据。

图3 DSC热曲线：(a) PA，(b) PA@EC，(c) CNF5-PA@EC，(d) CNF10-PA@EC，(e) CNF15-PA@EC，(f) 包装参数，(g) PA@EC加热-冷却循环后，(h) CNF5-PA@EC加热-冷却循环后，(i) CNF10-PA@EC加热-冷却循环后，(j) CNF15-PA@EC加热-冷却循环后，(k) PA、PA@EC和CNF-PA@EC的TG曲线，(l) PA@EC和CNF-PA@EC的热导率图。