相變蓄冷口紅外殼的制備及其性能試驗(yàn)

劉桂志， 陸 威， 王 然， 張 震， 吳易蕊， 張芃亞

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和消費(fèi)水平的提高，化妝品種類日益豐富，但是對化妝品的保養(yǎng)卻很少有人關(guān)注。對于女性而言，口紅是當(dāng)下必不可少的生活用品之一，而隨著生產(chǎn)技術(shù)的日益進(jìn)步，各式各樣的口紅產(chǎn)品層出不窮，其中不乏價格昂貴的高檔品。在將口紅作為消費(fèi)品的同時，也需要對其進(jìn)行必要的保護(hù)，以保證其使用效果和壽命。我國夏季普遍高溫，大多數(shù)地區(qū)達(dá)到35～37 ℃，南方一些地區(qū)甚至達(dá)到了37～40 ℃。在這樣的高溫天氣下攜帶口紅外出，如果不對其加以保護(hù)，會導(dǎo)致口紅的損壞，若應(yīng)用合適的相變蓄冷材料，則可使其維持在安全溫度。

有學(xué)者對不同溫度段的蓄冷材料進(jìn)行了研究[1-3]。物質(zhì)有固、液、氣三相，當(dāng)物質(zhì)發(fā)生相變時，需要吸收或放出大量的相變潛熱。相變蓄冷即是物質(zhì)由高一級能態(tài)向低一級能態(tài)轉(zhuǎn)換時放出的熱量，從而蓄冷在需要時使用[4]。賈蒲悅等[5]制備了5%山梨醇水溶液+0.4% TiO2+1.0% 聚丙烯酸鈉，其相變溫度為?2.9 ℃，相變潛熱為293.8 kJ/kg。王曉霖等[6]制備了癸酸–月桂酸相變材料，相變溫度為18 ℃，并以此相變材料為基礎(chǔ)，利用焓法建立蓄冷球數(shù)學(xué)模型，研究了其蓄/放冷過程的一般規(guī)律。李夔寧等[7]制備了一種可以用于冷庫冷藏的以丙酸醇–乙酸鈉–水三元復(fù)合相變蓄冷材料，三者混合比例為1∶1∶8，相變溫度為?14 ℃，相變潛熱為172 kJ/kg。Dimaano等[8]研究了癸酸–月桂酸–十五烷相變蓄冷材料的蓄/放冷特性，發(fā)現(xiàn)該混合相變蓄冷材料相變溫度為13.3 ℃，相變潛熱為142.2 kJ/kg。高凱等[9]研究了5 種常見蓄冷材料在蓄冷過程中的溫度變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蔗糖–丙三醇復(fù)合相變材料蓄冷時間短，相變過程穩(wěn)定。Lu 等[10]制備了甲酸鈉–氯化鉀–蒸餾水質(zhì)量比為11∶1∶35 的相變蓄冷材料，相變溫度在?23.8 ℃，相變潛熱為263.3 kJ/kg，具有較好的蓄冷特性。楊波等[11-12]對7 種有機(jī)物的水溶液進(jìn)行蓄冷特性研究，發(fā)現(xiàn)山梨醇效果最好，適合作為細(xì)胞的低溫保護(hù)劑。Sari 等[13]制備了癸酸–棕櫚酸低溫儲能相變材料，對其熱物性及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析，測得癸酸和棕櫚酸在質(zhì)量比為76.5∶23.5 時，兩者共熔，在經(jīng)過5 000 次循環(huán)試驗(yàn)后，依舊有良好的蓄熱性能，相變潛熱為170～175 kJ/kg。陳文樸等[14]制備了低溫相變材料甲酸鈉（二水），其共晶濃度約為17%，共晶溫度約為?18 ℃。

目前，學(xué)者對相變蓄冷材料的相變特性進(jìn)行了較多研究，但是對其實(shí)際應(yīng)用研究較少，尤其對口紅以及化妝品的保養(yǎng)研究甚少。本文設(shè)計了一種口紅外殼，這種口紅外殼利用相變蓄冷材料為口紅提供蓄冷量，保證口紅在較高的環(huán)境溫度下依然保持一個相對較低的溫度，不至于變形、融化，甚至斷裂，從而延長了口紅的使用壽命。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料：a. 化學(xué)純十二醇；b. 化學(xué)純月桂酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98.0%。均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

試驗(yàn)儀器： 差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry, DSC）（DSC200F3），溫度精度±0.1 ℃，量熱精度0.1 μW； 瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀（DZDR-S），測試精度±3%；電子天平（FA2204B），精度±0.1 mg；數(shù)據(jù)采集板（ZFXIMP-1C），溫度系數(shù)0.03 ℃，不確定度0.017 ℃；K 型熱電偶，精度等級±0.5 ℃，不確定度0.289 ℃，直徑和線芯為0.511 mm（該規(guī)格的熱電偶在限制條件下不會破壞試驗(yàn)對象，對溫度場影響足夠小，滿足試驗(yàn)要求）；低溫冷卻試驗(yàn)箱（DW-40）； 電熱鼓風(fēng)干燥箱，控溫精度±1 ℃；數(shù)顯恒溫磁力攪拌器；燒杯、玻璃棒、藥匙等。

1.2 相變材料的制備

分別稱取質(zhì)量比為9∶1 的十二醇和月桂酸放置于燒杯中，將燒杯放在65 ℃的數(shù)顯恒溫磁力攪拌器上加熱并攪拌0.5 h，使其充分混合均勻，即可得到相變蓄冷材料。

1.3 口紅外殼的制備

根據(jù)口紅的尺寸，用Catia 軟件分別畫出容積分別為25，40，60 ml 口紅外殼的3D 模型，如圖1 所示，并用3D 打印技術(shù)制成光敏樹脂外殼，如圖2 所示。

1.4 相變材料的表征與性能測試

首先，用瞬態(tài)平面熱源法測試導(dǎo)熱儀測試相變材料十二醇和月桂酸的導(dǎo)熱系數(shù)。使用2 號探頭，電阻溫度系數(shù)為0.005，輸出功率為1.503 W，探頭電阻為4.041 Ω，測3 次取平均值。其次，用DSC 測量該相變材料的相變溫度和相變潛熱。先稱取10～15 mg 的相變蓄冷材料樣品放入鋁制坩堝中，用DSC 專用壓膜機(jī)將其壓緊密封，放入DSC 爐腔內(nèi)，升溫速率為3 K/min，溫度范圍為?10～70 ℃， DSC 測得的數(shù)據(jù)可用于分析其相變溫度和相變潛熱。

圖 1 口紅外殼的3D 模型Fig.1 3D model of lipstick shell

圖 2 3D 打印光敏樹脂模型Fig.2 3D printing photosensitive resin model

將室溫下不添加蓄冷外殼的口紅放入30 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中（干燥箱箱內(nèi)溫度模擬夏天室外溫度為30 ℃），在口紅中心插入K 型熱電偶，通過數(shù)據(jù)采集板對溫度的變化進(jìn)行采集。

蓄冷性能試驗(yàn)對無外殼的口紅，直接將其從室溫下放入干燥箱。然后，在容積為25，40，60 ml的口紅外殼中填充水，含有口紅的外殼放入低溫冷卻試驗(yàn)箱中，冷凍至?5 ℃，使水凍成冰，再將它們放入30 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行性能試驗(yàn)。最后，在上述容積的口紅外殼中填充十二醇和月桂酸。雖然十二醇和月桂酸相變材料的熔點(diǎn)是18.6 ℃，但是為了與冰/水相變材料參照試驗(yàn)對比方便，將這些含有口紅的外殼同樣放入低溫冷卻試驗(yàn)箱中，冷凍至?5 ℃，使相變材料凝結(jié)蓄冷，再將它們放入30 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行性能試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 相變蓄冷材料的熱物性測試

首先，通過瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀測得十二醇–月桂酸溶液（質(zhì)量比為9∶1）的導(dǎo)熱系數(shù)為0.225 8 W/（m·K）。利用差示掃描量熱法測得該相變材料的DSC 曲線，如圖3 所示，其相變溫度、相變潛熱如表1 所示。該相變蓄冷材料的相變溫度為18.6 ℃，相變潛熱為179.1 kJ/kg。這種相變蓄冷材料具有合適的相變溫度，較大的相變潛熱，符合的口紅外殼對蓄冷溫度和蓄冷能力的需求。當(dāng)夏天溫度較高時，口紅外殼中的相變蓄冷材料可以釋放相變蓄冷量，防止口紅因溫度過高導(dǎo)致斷裂或者融化，因此具有較大的實(shí)際應(yīng)用前景。

圖 3 十二醇–月桂酸的DSC 曲線Fig. 3 DSC curve of lauryl alcohol-lauric acid

表 1 十二醇–月桂酸（質(zhì)量比為9∶1）的相變潛熱和相變溫度Tab.1 Latent heat and phase change temperature of lauryl alcohol-lauric acid (mass fraction 9∶1)

2.2 作為對照組的冰/水相變材料在口紅外殼中的蓄冷性能測試

通過熱電偶和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得冰/水在25，40，60 ml 外殼中溫度隨時間的變化曲線，如圖4所示。冰/水的相變溫度為0 ℃，其蓄冷性能隨著蓄冷劑體積的增加而增大。25 ml 外殼中冰/水的相變時間最短，約為900 s；40 ml 外殼中冰/水的相變時間約為1 500 s；60 ml 外殼中冰/水的相變時間最長，約為2 400 s。

圖 4 不同容積外殼內(nèi)冰/水溫度變化曲線Fig. 4 Temperature curves of ice/water filled in different volumetric enclosures

圖5 是不同容積冰/水外殼和無外殼時口紅的溫度隨時間變化曲線。圖5 口紅溫度達(dá)到30 ℃開始融化，由此可得無蓄冷外殼的口紅（對照組）在2 000 s 左右時最先融化；25 ml 冰/水外殼下口紅在6 400 s 左右時開始融化；40 ml 冰/水外殼下口紅開始融化時間是8 000 s；60 ml 冰/水外殼下口紅在9 400 s 左右時開始融化。

圖 5 不同容積的冰/水外殼下口紅的溫度變化曲線Fig. 5 Temperature curves of lipstick with ice/water filled in different volumetric enclosures

2.3 十二醇–月桂酸相變材料在口紅外殼中的蓄冷性能測試

把十二醇–月桂酸相變蓄冷材料分別填充到25，40 ，60 ml 口紅外殼內(nèi)，其蓄冷性能測試的溫度曲線如圖6 所示，蓄冷能力也隨蓄冷劑體積的增加而增大。十二醇–月桂酸溶液在溫度達(dá)到18.6 ℃時發(fā)生相變。25 ml 口紅外殼中的十二醇–月桂酸溶液相變時間最短，約為1 200 s；40 ml口紅外殼中的十二醇–月桂酸溶液相變時間約為3 000 s；60 ml 口紅外殼中的十二醇–月桂酸溶液需要5 000 s 完成相變。

圖 6 不同容積外殼內(nèi)十二醇–月桂酸的溫度變化曲線Fig. 6 Temperature curves of lauryl alcohol-lauric acid filledin different volumetric enclosures

冰/水的相變溫度為0 ℃，相變潛熱為333.0 kJ/kg。本試驗(yàn)中十二醇–月桂酸的相變溫度為18.6 ℃，相變潛熱為179.1 kJ/kg。雖然冰/水的相變潛熱比十二醇–月桂酸的相變潛熱大，但是冰/水的相變溫度與夏季外界環(huán)境（30 ℃）的溫差大，相變時吸熱變溫速率較快，所以以冰/水作為相變材料的口紅外殼其保溫效果較差。而十二醇–月桂酸的相變溫度與夏季外界環(huán)境（30 ℃）的溫差較小，相變時吸熱變溫速率較慢，所以十二醇–月桂酸的口紅外殼保溫效果較好，適合作為口紅外殼的蓄冷介質(zhì)。

圖7 是不同容積的十二醇–月桂酸外殼和無蓄冷外殼的口紅溫度隨時間變化曲線。設(shè)口紅溫度達(dá)到30 ℃開始融化?？梢钥闯?，無外殼的口紅（對照組）在2 000 s 時最先融化；25 ml 外殼下口紅在9 000 s 時融化；40 ml 外殼下口紅在12 000 s 時融化；60 ml 外殼下口紅在14 500 s 融化。

冰/水的相變溫度為0 ℃，如果使用冰/水作為蓄冷介質(zhì)，需要將其放入?5 ℃的冷凍柜中使其結(jié)冰蓄冷，這樣才能在炎熱的環(huán)境中吸收熱量，釋放蓄冷量。十二醇–月桂酸相變蓄冷材料的DSC 測試曲線顯示，峰值點(diǎn)為26.2 ℃，相變溫度為18.6 ℃，在此溫度下該相變蓄冷材料可以釋放179.1 kJ/kg的相變蓄冷量。如果口紅外殼放在?5 ℃的冷凍柜中儲存，口紅外殼拿出來就容易結(jié)露，因此平時需要將其放入10 ℃以下的冷藏柜中即可，這樣與外界溫度的溫差較低，不容易結(jié)露。

圖 7 不同容積的十二醇–月桂酸外殼下口紅的溫度變化曲線Fig. 7 Temperature curves of lipstick with lauryl alcohollauric acid filled in different volumetric enclosures

從圖7 可以看出，口紅的溫度如果從10 ℃升高到30 ℃之后開始融化，25 ml 十二醇–月桂酸外殼下口紅會在超過7 000 s 后融化，40 ml 十二醇–月桂酸外殼下口紅會在超過9 000 s 后融化，60 ml十二醇–月桂酸外殼下的口紅會在超過11 200 s 后融化，均比相同外殼填充冰/水作為相變材料時的保冷時間長，還可以避免大量結(jié)露。

3 結(jié) 論

對質(zhì)量比為9∶1 的十二醇–月桂酸相變蓄冷材料進(jìn)行熱物性測試和蓄冷性能測試，測得其導(dǎo)熱系數(shù)為0.225 8 W/（m·K），相變溫度為18.6 ℃，相變潛熱為179.1 kJ/kg，適合作為口紅外殼的相變蓄冷材料。通過對該材料填充的外殼、無蓄冷外殼和冰/水外殼進(jìn)行蓄冷性能對比試驗(yàn)，可以看出：

a. 從不同體積外殼的口紅溫度變化曲線中，可以得出隨著外殼尺寸的增大，蓄冷效果越來越好。但是外殼體積越大，質(zhì)量越重，外出攜帶是不方便的，可以根據(jù)需求選擇合適的口紅外殼。

b. 對于不同的相變材料，當(dāng)儲存溫度為?5 ℃時，60 ml 冰/水外殼下口紅約在2.6 h 后融化，60 ml 十二醇–月桂酸（質(zhì)量比為9∶1）外殼下口紅約在4.0 h 后融化，比60 ml 冰水外殼下的口紅融化時間延長了1.4 h，比無外殼口紅的融化時間延長了3.5 h。

c. 當(dāng)口紅外殼和口紅在低于10 ℃的冷藏柜里儲存時，外殼在外表面處于30 ℃環(huán)境時，60 ml十二醇–月桂酸溶液的外殼也具有超過3 h 的保冷能力，適合大多數(shù)人使用。如果外殼可以選擇熱導(dǎo)率更低的材料，其保冷能力會有進(jìn)一步的提高。