Wpływ materiału zmiennego fazowo na właściwości wytrzymałościowe i cieplne gipsowej gładzi polimerowej

Latem, w czasie upałów, oczekujemy, że temperatura otoczenia wewnętrznego będzie niższa niż zewnętrznego, natomiast w okresie zimowym utrzyma się na poziomie około 20°C. Problemem mogą być m.in. pomieszczenia, w których pracuje znacząca ilość urządzeń biurowych, w tym komputerów pełniących rolę serwerów, emitujących duże ilość ciepła.

Aby zapewnić ciągłość pracy tych urządzeń w serwerowniach, konieczne jest utrzymanie rygorystycznych parametrów otoczenia, a mianowicie wilgotności względnej na poziomie 45% oraz temp. 20°C. Wymagają one instalowania systemów klimatyzacyjnych, co jest związane z wysokim kosztem ich eksploatacji.

Czytaj też: Zastosowania materiałów zmiennofazowych (PCM) w budownictwie

Rozwiązaniem, które może wpływać na obniżenie temperatury pomieszczeń, a tym samym kosztów ich utrzymania, jest m.in. zastosowanie wyrobów lub zasobników z udziałem materiałów zmiennych fazowo.

Właściwości materiałów zmiennych fazowo

Materiały zmienne fazowo (z ang. PCM - Phase Change Materials), nazywane również związkami zmiennofazowym lub materiałami przemiany fazowej, charakteryzuje pochłanianie, magazynowanie i uwalnianie dużej ilości energii podczas przemian fazowych, zachodzących w kombinacji trzech faz: gazowej, ciekłej lub stałej (najbardziej dostępne i opłacalne jest przejście ze stanu ciekłego do stałego i na odwrót).

Główną zaletą materiałów fazowo zmiennych jest ich wysoka efektywna pojemność cieplna. W ich przypadku wzrost akumulacyjności cieplnej wynika z ciepła właściwego (ang. sensibleheat) oraz znacznie wyższego ciepła utajonego (ang. latentheat) - ciepła przemiany fazowej [1]. Fakt ten starano się wykorzystać od dawna w obiektach budowlanych, a pierwsze próby w tym zakresie miały miejsce przed 1980 r. [2].

Obecnie badania nad PCM skupiają się głównie na poszukiwaniu materiałów o jak najwyższej zdolności akumulacji energii cieplnej z możliwością ich praktycznego wykorzystania - RYS. 1.

Nie wszystkie materiały fazowo zmienne mogą być użyte jako akumulatory ciepła. Materiały badane jako potencjalne PCM powinny spełniać wiele kryteriów: termodynamicznych, kinetycznych, chemicznych, a także ekonomicznych [3, 4]. Przykłady wykorzystania materiałów zmiennych fazowo przedstawiono na RYS. 2 i RYS. 3 oraz FOT. 1 i FOT. 2.

Charakterystyka zapraw będących przedmiotem badań

Eksperyment mający na celu ocenę skuteczności działania materiału zmiennego fazowo w różnej temperaturze otoczenia przeprowadzono na 6 zaprawach:

• trzy wykonano na bazie gipsowej gładzi polimerowej. Różnicowała je ilość materiału zmiennego fazowo w postaci mikrokapsułek dozowanych wagowo do masy suchych składników (10% - ZPG-PCM 10%, 20% - ZPG-PCM 20% i 30% - ZPG-PCM 30%);
• czwarta mieszanka zawierała 10% mikrokapsułek i 10% perlitu frakcji 1,4/2 (lekkiego kruszywa), które to składniki także dozowano wagowo do masy gładzi (ZPG-P-PCM);
• dwie pozostałe to zaprawy referencyjne, a mianowicie gipsowa gładź polimerowa (ZPG) oraz zaprawa cementowo-wapienna z udziałem składników kumulujących ciepło w ilości 15% wagowo (ZCW), przygotowane fabrycznie.

Badania zaplanowano dwuetapowo:

• pierwszy etap zakładał wykonanie badań w zakresie cech podstawowych, takich jak konsystencja, czas początku wiązania, gęstość i wytrzymałość;
• drugi natomiast przewidywał oznaczenie cech związanych z parametrami cieplnymi, a mianowicie wartości współczynnika przewodzenia ciepła oraz objętościowej pojemności cieplnej.

Z uwagi na fakt, iż nie znano wodożądności perlitu i sypkiej postaci materiału zmiennego fazowo, ilość wody zarobowej dobrano doświadczalnie, tak aby placek rozlewu uzyskał średnicę normową (165 ± 5) mm według normy PN-EN 13279–2:2014–02 [6].

Przeczytaj: Zastosowanie płyt gipsowo­-kartonowych z dodatkiem PCM o różnej temperaturze przemiany fazowej

Aby sprawdzić, w jakim stopniu temperatura wpłynie na pojemność cieplną oraz wartość współczynnika przewodzenia ciepła badanych zapraw, a co jednocześnie wywoła zjawisko przemiany fazowej, przyjęto następujące wartości temperatury pomiaru: 17°C, 22°C, 25°C i 30°C.

Do przeprowadzenia eksperymentu wykorzystano materiał zmienny fazowo w postaci mikrokapsułek, którego przemiana fazowa powinna nastąpić w zakresie 23–25°C - FOT. 3 (patrz: zdjęcie główne).

W czasie analizy mikroskopowej na zaznaczonym obszarze mikrokapsułek wykonano mapę zawartości poszczególnych pierwiastków z dokładnością występowania do 0,1% - FOT. 4.

Daje się wyraźnie zauważyć, że identyfikacja pierwiastkowa dotyczy jedynie otoczki mikrokapsułek. Brak wyrazistego składu pierwiastkowego wypełnienia mikrokapsułek wynika z ograniczonych możliwości wykorzystanego w badaniu mikroskopu elektronowego, który wykrywa pierwiastki układu okresowego (według tablicy Mendelejewa) w zakresie od B₅ do A_m95.

Ustalony skład pierwiastkowy (RYS. 4) potwierdza polimerową otoczkę mikrokapsułek, którą na podstawie procentowego udziału węgla i tlenu można określić jako polimetakrylan metylu - C₅H₈O₂, wypełnioną woskowym czynnikiem magazynującym energię [7].

Zgodnie z charakterystyką producenta, czynnik wypełniający mikrokapsułki ma pochodzenie organiczne i jest to parafina uzyskana z mieszaniny wysokiej jakości wosków, co potwierdza wykonana analiza.

Analiza uzyskanych wyników badań

W TABELI przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań w zakresie cech podstawowych.

Do wykonania pomiaru rozpływu zapraw gotowych fabrycznie ZCW i ZPG użyto wody w ilości podanej przez producenta wyrobów.

Jak widać w TABELI , stopień rozpływu zapraw mieści się w przedziale 150-170 mm, co pozwala je zakwalifikować do kategorii zapraw plastycznych, których wartość rozpływu według normy PN-EN 1015–3:2000 [8] znajduje się w zakresie 140-200 mm.

Dodatkowo, zgodnie z normą PN-EN 13279–2:2014–02 [6], rozpływ placka zaprawy polimerowo-gipsowej musiał osiągnąć wartość 165 ± 5 mm.

Na podstawie tego pomiaru ustalono stosunek woda/tynk (woda/suche składniki gotowego produktu), który w miarę zwiększania ilości mikrokapsułek rośnie w odniesieniu do zaprawy referencyjnej ZPG.

Tak duża ilość dozowanej wody wywarła znaczący wpływ na gęstość objętościową w stanie suchym oraz na wytrzymałość mechaniczną. Poza tym zaprawy z udziałem mikrokapsułek wykazały znikomą wytrzymałość na zginanie - do tego stopnia, iż w czasie badania nie zarejestrowano odczytu.

W przypadku wytrzymałości na ściskanie jest ona dużo niższa niż zaprawy referencyjnej ZPG i wyraźnie odbiega od wartości, jaką uzyskała zaprawa cementowo-wapienna ZCW.

Zobacz: Materiały zmiennofazowe jako modyfikator betonu dojrzewającego w klimacie gorącym i suchym

Zgodnie z normą PN-EN 998–1:2012 [9] na podstawie uzyskanych wartości wytrzymałości na ściskanie przypisano kategorię CIII - w przypadku zapraw ZCW i ZPG, oraz CII - w przypadku zapraw na bazie gipsowej gładzi polimerowej z udziałem zróżnicowanej ilości składnika kumulującego ciepło.

Drugi etap badań miał na celu ustalenie parametrów cieplnych zapraw w zakresie objętościowej pojemności cieplnej i współczynnika przewodzenia ciepła.

Jak wspomniano, pomiary zaplanowano w zmiennej temperaturze.

Do tego oznaczenia wykonano próbki prostopadłościenne o wymiarach 10×10×5 cm, które po okresie dojrzewania wysuszono do stałej masy, a następnie sezonowano w temp. 17°C, 22°C, 25°C i 30°C w komorach temperaturowych.

W celu zagwarantowania temperatury otoczenia jako próbki w czasie pomiaru wykorzystano urządzenie klimatyzacyjne zainstalowane w laboratorium. Pozwoliło to na przeprowadzenie pomiarów w stabilnych warunkach temperaturowych w układzie ośrodek ­badany - otoczenie.

Uzyskane wyniki badań przedstawiono na RYS. 5, na którym podano także wartości objętościowej pojemności cieplnej i współczynnika przewodzenia ciepła oznaczone na próbkach po okresie dojrzewania, sezonowanych w komorze klimatycznej o wilgotności względnej otoczenia RH = 50 ± 5% oraz w temp. 20 ± 2°C, przy czym wilgotność poszczególnych zapraw była różna i wynosiła:

• ZCW - 1,75%,
• ZPG - 0,24%,
• ZPG-PCM 10% - 0,23%,
• ZPG-PCM 20% - 0,42%,
• ZPG-PCM 30% - 0,55%,
• ZPG-P-PCM - 11,61% (tak wysoka wilgotność jest efektem znacznej absorpcji wody przez kruszywo lekkie perlit w czasie wykonywania zarobu).

Analiza RYS. 5 wskazuje na zależność wartości pojemności cieplnej od temperatury i stanu zawilgocenia. Najniższa wartość akumulacyjności cieplnej charakteryzuje zaprawy wysuszone do stałej masy i badane w temp. 30°C, poza zaprawą ZPG.

Jeśli zestawić wyniki otrzymane z badania w temperaturze pokojowej 22°C z wartościami uzyskanymi z pomiaru w 30°C, można zauważyć, że zaprawę wykonaną na recepturze ZPG‑P‑PCM charakteryzuje najniższa pojemność cieplna, co może wynikać z porowatej struktury perlitu.

W przypadku zapraw ZPG-PCM 10%, ZPG-PCM 20% i ZPG‑PCM 30% odnotowano postępujący spadek wartości w miarę wzrastającej ilości mikrokapsułek, natomiast zaprawę cementowo-wapienną ZCW, zawierającą w swoim składzie 15% mikrokapsułek, w rozpatrywanym przypadku charakteryzuje nieznaczny spadek pojemności cieplnej.

W porównaniu z zaprawą wzorcową ZPG badaną w temp. 30°C pojemność cieplna jest niższa w przypadku zapraw:

• ZPG-PCM 10% - o 15%,
• ZPG‑PCM 20% - o 28%
• ZPG-PCM 30% - o 41%,
• zaprawy z udziałem dodatkowo kruszywa lekkiego - perlitu ZPG-P-PCM o 50%,
• zaprawa wykonana na recepturze ZCW uzyskała wartość niższą o 9%.

Najniższe wartości pojemności cieplnej w temp. 30°C w przypadku zapraw modyfikowanych materiałem fazowo zmiennym w porównaniu z zaprawą referencyjną można tłumaczyć przejściem fazowym mikrokapsułek, które producent wskazał na 23-25°C.

Parafina znajdująca się w polimerowych mikrokapsułkach uległa rozpuszczeniu podczas pobierania energii z otoczenia, w związku z tym nie jest w stanie zakumulować więcej energii. Dopiero przy ochłodzeniu otoczenia (a przy tym i próbek badanych zapraw) następuje zmiana stanu skupienia materiału fazowo zmiennego; wtedy nastąpi ponowny wzrost pojemności cieplnej.

Porównując wyniki badań pojemności cieplnej oznaczonej w różnych temperaturach, zauważono w ramach danej zaprawy, że najwyższą osiągnięto w temp. 25°C.

W przypadku zapraw ZPG‑PCM 10% oraz ZPG-PCM 20% i ZPG-PCM 30% wzrost wartości pojemności cieplnej wyniósł odpowiednio o 5% i około 12%, natomiast w przypadku zaprawy z dodatkiem perlitu, pojemność cieplna w temp. 25°C jest o ponad 35% niższa w porównaniu z ­zaprawą referencyjną (ZPG), badaną w takich samych warunkach.

Najwyższe wartości pojemności cieplnej uzyskane w temp. 25°C wynikają z charakterystyki zastosowanego materiału zmiennego fazowo, który w zakresie temp. 18-26°C pochłania ciepło z otoczenia.

Akumulacja energii przez PCM zmienia parafinę w stanie stałym skupienia w ciecz i wykazuje wzrost pojemności cieplnej, co potwierdzają krzywe obrazujące przebieg zarejestrowanych wartości na RYS. 5.

Należy tu zauważyć, że krzywa przedstawiająca wartość pojemności cieplnej w funkcji temperatury ma porównywalny charakter jak na RYS. 6, który przedstawia pojemność cieplną tynku zawierającego PCM uzyskaną w badaniach opisanych w publikacji Z. Pavlik, M. Pavliková, P. Volfová i in. [10].

Z przeprowadzonych badań wynika, że materiał zmienny fazowo pozytywnie wpłynął na podwyższenie pojemności cieplnej badanych zapraw w temp. 25°C. Wyraźny wzrost tego parametru zarejestrowano w przypadku zaprawy na spoiwie gipsowym z dodatkiem 20% i 30% mikrokapsułek, gdzie pojemność cieplna wzrosła o około 12% w porównaniu z zaprawą wzorcową ZPG.

Warto wiedzieć: Jak zwiększyć efektywność energetyczną budynków?

Nie jest to duża różnica, ale należy pamiętać, że zaprawy gipsowe zasadniczo charakteryzuje stosunkowo niska gęstość objętościowa (np. w odniesieniu do zapraw cementowych), a to skutkuje obniżoną zdolnością do akumulacji ciepła.

W przypadku większej grubości rozpuszczanie parafiny zachodzi najpierw bliżej źródła ciepła i powoli przemieszcza się w głąb materiału. PCM wbudowany blisko powierzchni zewnętrznej podlega silnemu przegrzaniu, kiedy wnętrze pozostaje nadal w stanie stałym [11].

Jak pokazały wyniki badań w temp. 25°C, w przypadku zapraw z dodatkiem 20% i 30% materiału fazowo zmiennego pojemność cieplna jest porównywalna. Na podstawie badań przeprowadzonych przez Cabeza [2] można to tłumaczyć zestaleniem PCM na krawędzi badanej próbki.

Kolejnym spostrzeżeniem poczynionym podczas analizy jest zdecydowanie najniższa pojemność cieplna zaprawy z udziałem materiału zmiennego fazowo i kruszywa lekkiego perlit (ZPG-P-PCM).

Niskie wartości pojemności cieplnej wynikają w tym przypadku z właściwości perlitu, lekkiego kruszywa porowatego. Znacznie poprawia on cechy termoizolacyjne i oddziałuje jednocześnie na obniżenie końcowego efektu akumulacyjności cieplnej zaprawy.

Uzyskane w badaniach wartości pojemności cieplnej zapraw będących w stanie wilgotnym nie wykazały znacząco wyższych wartości wynikających z wyższej akumulacyjności wody w odniesieniu do powietrza. Warto zwrócić uwagę na kształt krzywych, gdzie w momencie badania zapraw w rozpatrywanym przypadku akumulacyjność powraca do poziomu wartości jak w temp. 17°C.

W niskiej temperaturze materiał fazowo zmienny, a dokładnie czynnik woskowy, powinien ulec zakrzepnięciu. Fakt ten potwierdzają wyniki badania pojemności cieplnej w temp. 17°C w porównaniu z uzyskanymi w temp. 25°C.

Istotnym czynnikiem, który mógł determinować poprawność rezultatów badania, może być grubość wykonanych próbek. W rzeczywistości warstwa tynku nie jest grubsza niż 2 cm. W prowadzonych badaniach wszystkie próbki miały gr. 5 cm i, jak stwierdzono, efektywność zachodzenia procesów krzepnięcia–rozpuszczania mogła być niedostateczna (na powierzchni próbki proces przemiany zachodził stosunkowo szybko w miarę zmieniającej się temperatury otoczenia, natomiast wewnątrz proces ten potrzebuje dłuższego czasu).

Według Melhinga [3] podwyższenie pojemności cieplnej badanych zapraw można także uzyskać przez dodanie np. sproszkowanego grafitu, który nie koroduje i w odróżnieniu od metali nie reaguje z siarczanami zawartymi w gipsie [11].

Na RYS. 7 przedstawiono średnie wartości uzyskanych wyników pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła badanych zapraw. Analiza wykresu wykazała zależność między ilością dodanego materiału fazowo zmiennego a współczynnikiem przewodzenia ciepła.

Zauważono, że mikrokapsułki dodane do zaprawy polimerowo-gipsowej mają pozytywny wpływ na współczynnik przewodzenie ciepła w kontekście ochrony termicznej. Najkorzystniejsza izolacyjność charakteryzuje zaprawę z największą ich ilością - ZPG-PCM 30%.

W każdej badanej temperaturze w stanie wysuszenia do stałej masy pomierzona wartość λ jest najniższa ze wszystkich badanych zapraw - w temperaturze pokojowej (22°C) wynosi 0,18 W/(m·K), co stanowi około 50% wartości współczynnika przewodzenia ciepła zaprawy referencyjnej ZPG w tej samej temperaturze.

Charakterystyka zmienności współczynnika przewodzenia ciepła zapraw ZPG-PCM 20% oraz ZPG-P-PCM w odniesieniu do temperatury otoczenia od 17°C do 30°C jest zbliżona.

Zobacz: Materiały zmiennofazowe (PCM) w budownictwie - właściwości i rodzaje

Najniższy współczynnik przewodzenia ciepła odnotowano w temp. 17°C, natomiast wyraźny wzrost zauważono w temp. badania 22°C, po czym następuje spadek wartości λ przy najwyższej temperaturze pomiaru. Najmniejsze różnice uzyskanych wyników pomiaru w zakresie badanych temperatur zauważono w zaprawie polimerowo-gipsowej ZPG.

Niezależnie od temperatury, współczynnik przewodzenia ciepła zaprawy ZPG przyjmuje wartości na poziomie 0,40-0,435 W/(m·K).

Najwyższe wartości współczynnika przewodzenia ciepła wykazała zaprawa cementowo-wapienna ZCW, a szczególnie niekorzystne w temp. badania 25°C.

Oznaczenie współczynnika przewodzenia ciepła na próbkach wilgotnych w odniesieniu do stanu suchego potwierdza niekorzystny wpływ zawilgocenia materiału na właściwości termoizolacyjne.

Wnioski

Na podstawie analizy wyników przeprowadzonych badań i analizy zaobserwowano spadek gęstości objętościowej zapraw, spowodowany wprowadzeniem zwiększanej ilości materiału zmiennego fazowo w postaci mikrokapsułek do gotowej mieszanki gładzi polimerowo-gipsowej. Obniżenie wartości gęstości w odniesieniu do zaprawy wzorcowej ZPG porównywalne jest z procentową ilością dodanego PCM.

Analizując wytrzymałość na ściskanie, zauważono, że ilość dodanego materiału fazowo zmiennego do składu zaprawy ma wyraźny wpływ na ten parametr. Niższa wytrzymałość na ściskanie zapraw modyfikowanych materiałem PCM spowodowana jest obniżoną gęstością objętościową w porównaniu z zaprawą wzorcową ZPG. Brak rejestracji wytrzymałości na zginanie świadczy o zbyt wysokiej kruchości i jest to najsłabszy punkt na tle oznaczonych właściwości.

Uzyskane wyniki badania współczynnika przewodzenia ciepła wykazują zauważalny wpływ mikrokapsułek oraz kruszywa lekkiego perlit na właściwości termoizolacyjne. Zaprawą o najniższych wartościach współczynnika przewodzenia ciepła okazała się ta o największej ilości materiału zmiennego fazowo.

Analiza wyników objętościowej pojemności cieplnej wykazała wzrost akumulacyjności zapraw modyfikowanych materiałem fazowo zmiennym w zakresie temp. 22-25°C. Charakter krzywych wykresu pojemności cieplnej jest porównywalny z efektami badań nad PCM w różnych ośrodkach badawczych.

Podsumowując należy stwierdzić, że zaprojektowanie składu poszczególnych zapraw na bazie gipsowej gładzi polimerowej miało na celu wykazanie wpływu dodatku materiału zmiennego fazowo na ich właściwości cieplne.

Dodanie mikrokapsułek PCM do mieszanek zmniejsza gęstość objętościową, wpływa na wzrost izolacyjności termicznej oraz poprawia pojemność cieplną w zakresie temperatury topnienia materiału zmiennego fazowo. Nie można przy tym pominąć faktu, iż w skomponowanych zaprawach nastąpiło wyraźne obniżenie wytrzymałości mechanicznej w miarę zwiększania ilości mikrokapsułek.

Parametr ten jest istotny z punktu widzenia trwałości zaprawy i wymaga dopracowania, szczególnie w zakresie wytrzymałości na zginanie. Aby zwiększyć walory użytkowe badanych zapraw, konieczne jest więc wzmocnienie ich struktury.

Literatura

1. H. Garbalińska, "Zastosowanie nowoczesnych technologii na rzecz poprawy energooszczędności przegród budowlanych", Ogólnopolska Konferencja GUNB, Problemy techniczno-prawne utrzymania obiektów budowlanych, Warszawa, 16–17 stycznia 2014, s. 11-38.
2. C. Voelker, O. Kornadt, M. Ostry, "Temperature reduction due to application of phase change materials", "Energy and Buildings", vol. 40/2008, s. 937-944.
3. L. Cabeza, H. Mehling, "Heat and cold storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications", Springer 2008.
4. H. Melhing, "Latent heat storage with a PCM-graphite composite material: experimental results for the first test store", Proceeding of the 4th Workshop of IEA ECES IA Annex 10, Bendiktbeuern, Germany 1999.
5. P. Schossig, H. Henning, S. Gschwander, "Micro-encapsulated phase-change materials integrated into construction materials", "Solar Energy Material & Solar Cells", 89/2005, s. 297-306.
6. PN-EN 13279–2:2014–02, "Spoiwa gipsowe i tynki gipsowe. Część 2: Metody badań".
7. M. Schmidt, "Proste w stosowaniu materiały budowlane wykorzystujące ciepło przemiany fazowej PCM”, "Materiały Budowlane", nr 2/2012, s. 34-35.
8. PN-EN 1015–3:2000, "Metody badań zapraw do murów. Określenie konsystencji świeżej zaprawy (za pomocą stolika rozpływu)".
9. PN-EN 998–1:2012, "Wymagania dotyczące zapraw do murów. Część 1: Zaprawa tynkarska".
10. Z. Pavlik, M. Pavliková, P. Volfová i in., "Properties of a New Type of Plaster Containing Phase-Change Material", „IACSIT Press”, Singapore vol. 28/2012.
11. C. Hasse, M. Grenet, A. Bontempts, R. Dendievel, H. Sallee, "Realization, test and modelling of honeycomb wallboards containing a Phase-Change Material", "Energy and Buildings", vol. 43/2011, s. 232-238.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!