Synthesis and Temperature Control Performance of Silica Gel Waste Composite Phase Change Materials

doi:10.7503/cjcu20240372

Abstract

Abstract:

In this study， silica gel waste（SGW） was utilized to prepare porous silicon dioxide（PSD） as a carrier， combined with capric acid-hexadecyl alcohol（DA-HD） as the base phase change material（PCM）， to develop the composite PCM capric acid-hexadecyl alcohol/porous silicon dioxide（PSD-DA-HD）. Expanded graphite（EG） was introduced to enhance the thermal conductivity of the material. The thermal performance of the composite PCM was evaluated using differential scanning calorimetry（DSC）， thermogravimetric analysis（TGA）， and thermal constant analysis. The composite PCM was then blended with cement mortar to form phase change mortar， and its temperature regulation capability was studied in simulated application experiments. The results indicate that DA-HD is physically encapsulated within the pores of PSD， achieving a loading capacity of 61.7%， with an enthalpy value of 105.6 J/g. The PSD-DA-HD composite PCM demonstrates good shape stability. The introduction of expanded graphite increased the thermal conductivity of the PSD/EG-DA-HD composite PCM to 0.9513 W·m^‒1·K^‒1 but reduced its loading capacity to 49.5%， with an enthalpy value of 88.1 J/g. Both PSD-DA-HD and PSD/EG-DA-HD exhibit a maximum working temperature of 92.2 ℃， ensuring thermal stability below this threshold. When PSD-DA-HD and PSD/EG-DA-HD were mixed with cement mortar， the resulting phase change mortars displayed excellent heat storage and temperature regulation properties. The phase change mortars C-PSD-DA-HD and C-PSD/EG-DA-HD maintained stable temperatures for 12.7 and 6.7 min， respectively， within the temperature range of 18—32 ℃. In the simulation experiments， the phase change mortar containing PSD-DA-HD extended the temperature regulation duration by 267.92% compared to the control group without PCMs in the same temperature range.

Key words: Phase change material, Composite material, Silica gel waste, Temperature control, Phase change mortar

CLC Number:

O614

TrendMD:

XIE Zhuoxue, KOU Yan, SHI Quan, TIAN Ying. Synthesis and Temperature Control Performance of Silica Gel Waste Composite Phase Change Materials[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240372.

Figures/Tables 12

References 38

1	Ibanez M.， Lázaro A.， Zalba B.， Cabeza L. F.， Appl. Therm. Eng.， 2005， 25， 1796—1807
2	Bentz D. P.， Turpin R.， Cem. Concr. Compos.， 2007， 29， 527—532
3	Pasupathy A.， Velraj R.， Seeniraj R.， Renew. Sustain. Energy Rev.， 2008， 12， 39—64
4	Baetens R.， Jelle B. P.， Gustavsen A.， Energy Build.， 2010， 42， 1361—1368
5	Khudhair A. M.， Farid M. M.， Energy Convers. Manag.， 2004， 45， 263—275
6	Sadineni S. B.， Madala S.， Boehm R. F.， Renew. Sustain. Energy Rev.， 2011， 15， 3617—3631
7	Kuznik F.， Virgone J.， Johannes K.， Renew. Energy， 2011， 36， 1458—1462
8	Alawadhi E.M.， Alqallaf H. J.， Energy Convers. Manag.， 2011， 52， 2958—2964
9	Behzadi S.， Farid M. M.， HVAC&R Res.， 2011， 17， 366—376
10	Milian Y. E.， Ushak S.， J. Sol⁃Gel Sci. Technol.， 2020， 94， 67—79
11	Zhu Y.， Liang S.， Wang H.， Zhang K.， Jia X.， Tian C.， Zhou Y.， Wang J.， Energy Convers. Manage.， 2016， 119， 151—162
12	Rudd A. F.， ASHRAE Trans.， 1993， 99，pt 2
13	Kuznik F.， David D.， Johannes K.， Roux J. J.， Renew. Sustain. Energy Rev.， 2011， 15， 379—391
14	Cabeza L. F.， Castellon C.， Nogues M.， Medrano M.， Leppers R.， Zubillaga O.， Energy Build.， 2007， 39， 113—119
15	Mo S.， Mo B.， Wu F.， Jia L.， Chen Y.， J. Sol⁃Gel Sci. Technol.， 2021， 99， 220—229
16	Čejková J.， Hanuš J.， Štěpánek F.， J. Colloid Interface Sci.， 2010， 346， 352—360
17	Min X.， Fang M.， Huang Z.， Liu Y. G.， Huang Y.， Wen R.， Qian T.， Wu X.， Sci. Rep.， 2015， 5， 12964
18	Tang B.， Cui J.， Wang Y.， Jia C.， Zhang S.， Solar Energy， 2013， 97， 484—492
19	Tang F.， Liu L.， Alva G.， Jia Y.， Fang G.， Solar Energy Mater. Solar Cells， 2017， 160， 1—6
20	Qian Y.， Wei P.， Jiang P.， Li Z.， Yan Y.， Ji K.， Deng W.， Energy Convers. Manage， 2013， 76， 101—108
21	Williams J. D.， Peterson G. P.， Nanomaterials， 2021， 11（10）， 2578
22	Anand A.， Kant K.， Shukla A.， Chen C. R.， Sharma A.， Energies， 2021， 14， 4509
23	Sun K. Y.， Research on a New Passive Solar Collector⁃storage Wall System with Phase Change Materials， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing， 2021
	孙克衍. 导热增强型有机相变材料的合成与应用研究，北京：中国科学院大学， 2021
24	Gu Q. J.， Fei H.， Wang L. Y.， Fang M.， Jiang D. H.， Zhao Y. C.， Chem. Ind. Engin. Prog.， 2019， 38（11）， 5033—5039
	顾庆军，费华，王林雅，方敏，蒋达华，赵运超. 化工进展， 2019， 38（11）， 5033—5039
25	Li J. R.， He L.H.， Liu T. Z.， Cao X. J.， Zhu H.， Solar Energy Mater. Solar Cells， 2013， 118， 48—53
26	Fu Z.， Su L.， Liu M.， Li J.， Li J.， Zhang Z.， Li B.， J. Sol⁃Gel Sci. Technol.， 2016， 80， 180—188
27	Sun D.， Stduies on Synthesis and Application of Thermally Enhanced Organic Phase Change Materials， Dalian University of Technology，Dalian， 2016
	孙丹. 新型被动式太阳能相变集热蓄热墙系统研究，大连：大连理工大学， 2016
28	Zhang H. Z.， Wang X. D.， Wu D.， J. Colloid Interface Sci.， 2010， 246—255
29	Li B. X.， Liu T. X.， Hu L. Y.， Wang Y. F.， Gao L.， ACS Sustain Chem. Eng.， 2013， 1， 374—380
30	Wang Y.， Li L.， New Chem. Mater.， 2016， 44（7）， 64—66
	王宇，李琳. 化工新型材料， 2016， 44（7）， 64—66
31	Wu Y. N.， Wang X.， Tang B. T.， Fine Chem.， 2023， 1—12
	吴亚楠，王璇，唐炳涛. 精细化工， 2023， 1—12
32	Bai J. G.， Yuan Z. J.， Liu Y.， Zhang Y. S.， Lu X. F.， Chem. Ind. Engin. Prog.， 2022， 41（8）， 4441—4448
	白金刚，苑正己，刘雨，张义师，吕喜风. 化工进展， 2022， 41（8）， 4441—4448
33	Kong W.， Lei Y.， Jiang Y.， Lei J.， J. Therm. Anal. Calorim.， 2017， 130， 1011—1019
34	Zhang X. G.， Huang Z. H.， Ma B.， Wen R. L.， Zhang M.， Huang Y. T.， Fang M. H.， Liu Y. G.， Wua X.， RSC Adv.， 2016， 6， 58740—58748
35	Zhang X. G.， Huang Z. H.， Ma B.， Wen R. L.， Min X.， Huang Y. T.， Yin Z. Y.， Liu Y. G.， Fang M. H.， Wu X.， Thermochim. Acta， 2016， 638， 35—43
36	Ramakrishnan S.， Sanjayan J.， Wang X. M.， Alam M.， Wilson J.， Appl. Energy， 2015， 157， 85—94
37	Liu J.， Study on the Indoor Thermal Environment and Human Thermal Comfort in Natural Ventilation Building in Summer⁃hot and Winter⁃cold Zone， Chongqing University， Chongqing， 2007
	刘晶. 夏热冬冷地区自然通风建筑室内热环境与人体热舒适的研究，重庆：重庆大学， 2007
38	Mao Y.， Study on Climate Adaptability of Human Beings to Thermal Comfort in China， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an， 2007
	茅艳. 人体热舒适气候适应性研究，西安：西安建筑科技大学， 2007

Sample	Melting		Crystallizing		R（%）
Sample	T_onset/℃	ΔH_m/（J·g^‒1）	T_onset/℃	ΔH_c/（J·g^‒1）	R（%）
DA	30.7	170.9	25.4	170.3	—
HD	48.9	240.8	48.0	236.3	—
DA⁃HD	18.4	178.0	14.8	178.2	—
PSD⁃DA⁃HD	18.2	109.9	18.9	105.6	61.7
PSD/EG⁃DA⁃HD	26.0	88.1	26.2	85.1	49.5

Sample	Melting		Crystallizing		R（%）
Sample	T_onset/℃	ΔH_m/（J·g^‒1）	T_onset/℃	ΔH_c/（J·g^‒1）	R（%）
DA	30.7	170.9	25.4	170.3	—
HD	48.9	240.8	48.0	236.3	—
DA⁃HD	18.4	178.0	14.8	178.2	—
PSD⁃DA⁃HD	18.2	109.9	18.9	105.6	61.7
PSD/EG⁃DA⁃HD	26.0	88.1	26.2	85.1	49.5

Sample	Mass loss（%）	PCM content（%）	Initial decomposition temperature/℃	End decomposition temperature/℃
PSD	9.03	0	88.7	550.5
DA⁃HD	94.50	100.00	120.9	390.8
PSD⁃DA⁃HD	61.80	61.74	92.2	357.0
PSD/EG⁃DA⁃HD	58.60	57.49	92.2	366.2

Sample	Mass loss（%）	PCM content（%）	Initial decomposition temperature/℃	End decomposition temperature/℃
PSD	9.03	0	88.7	550.5
DA⁃HD	94.50	100.00	120.9	390.8
PSD⁃DA⁃HD	61.80	61.74	92.2	357.0
PSD/EG⁃DA⁃HD	58.60	57.49	92.2	366.2

Sample	λ/（W·m^‒1·K^‒1）
Sample	Run1	Run2	Run3	Average
DA⁃HD	0.1734	0.1647	0.1756	0.1712
PSD⁃DA⁃HD	0.3585	0.3679	0.3685	0.3650
PSD/EG⁃DA⁃HD	0.9753	0.9445	0.9342	0.9513
Cement mortar	0.6352	0.6320	0.6286	0.6319
C⁃PSD⁃DA⁃HD	0.5949	0.5954	0.5978	0.5961
C⁃PSD/EG⁃DA⁃HD	0.7394	0.7377	0.7368	0.7380