電力作業(yè)服裝用的相變材料制備及性能研究

高永強(qiáng)，左新斌，柴立華，王文成，鄭 昱，蘇梓銘

（1.國網(wǎng)山東省電力公司東營供電公司，東營 257000；2.國網(wǎng)山東省電力公司，青島 250000；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074）

在戶外作業(yè)過程中往往需要考慮到溫度的影響如果溫度過高，則要求采用可靠的防護(hù)措施進(jìn)行處理，降低高溫對作業(yè)的不利影響。其中，氣流（V）、氣溫（Ta）等諸多因素都會影響到對于高溫的界定。通常情況下，Ta 高于32℃時即認(rèn)為是高溫，或者是Ta高于30℃、相對濕度（RH）高于80%也屬于高溫。在此環(huán)境下的戶外作業(yè)都被認(rèn)為是高溫作業(yè)的范疇。如果電力工人長期處于這種環(huán)境，不僅會導(dǎo)致機(jī)體調(diào)節(jié)的機(jī)能發(fā)生變化，甚至?xí)霈F(xiàn)中暑等癥狀，嚴(yán)重時可能引發(fā)相關(guān)的疾病，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。所以在電力野外高溫作業(yè)過程中需要采用可靠的降溫措施，避免長期處于高溫環(huán)境下影響到工人的健康，同時也能夠保證工作的效率和質(zhì)量。目前，在電力高溫作業(yè)服裝方面，形成了較多研究成果，其中一種是穿戴成熟的調(diào)溫服裝，此類服裝可以結(jié)合外部溫度變化來自動調(diào)整服裝內(nèi)的溫度，一般利用特殊的相變材料制作而成，由此能夠起到降溫的效果，此類型的服裝逐步應(yīng)用到了航空航天等領(lǐng)域中。本文主要設(shè)計了一種電力相變服裝，使其能夠有效地應(yīng)用到電力高溫作業(yè)環(huán)境中，提升對于工作人員的保護(hù)作用，同時保證工作的質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 PCM相變材料選擇

1.1.1 相變材料溫度試驗(yàn)方案

要制備電力作業(yè)用的相變服裝，首先分析PCM的相變溫度能否達(dá)到使用的要求，即需先確定是否能夠達(dá)到高溫防護(hù)服的性能需求。對此，為解決該問題，首先對電力作業(yè)服裝的溫度需求進(jìn)行分析。

由于高溫防護(hù)服主要用于戶外作業(yè)人員身上，需根據(jù)人體的熱舒適性進(jìn)行針對性的設(shè)計。所以采用試驗(yàn)的方式對材料帶來的熱舒適性進(jìn)行分析。室內(nèi)平均濕度和溫度一般在37.4RH%和11.3℃，而結(jié)合高溫作業(yè)工人的穿著習(xí)慣，在日常作業(yè)過程中一般穿著棉外套、T恤以及高溫防護(hù)服等。由此，測試對象選擇普通身材的作業(yè)人員，其體重、身高分別是65kg、175cm，在身體前、后各設(shè)置三個測試點(diǎn)，各個測試點(diǎn)的測試次數(shù)為1，具體位置如圖1所示。

圖1 人體溫度測試點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of human body temperature test points

讓測試對象保持靜坐20min，整個身體處于放松狀態(tài)，保持正常的熱生理特征。然后對各個層的溫度傳感器進(jìn)行設(shè)置，在將高溫防護(hù)服穿好之后對各個層間的溫度變化進(jìn)行測試，此過程中測試對象仍然保持靜坐，總計持續(xù)10min。

1.1.2 確定相變溫度

在確定相變溫度時，需對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即先計算各層數(shù)據(jù)的平均值，然后對各層的10 個數(shù)據(jù)計算平均結(jié)果。由此得到對應(yīng)的服裝層間溫度分布數(shù)據(jù)，具體如下圖2所示。

圖2 服裝層間溫度分布特征圖Fig.2 Temperature distribution between layers of clothing

根據(jù)圖中信息可知，人體表面到外部環(huán)境的溫度分別是34.0℃、31.6℃、24.2℃、14.9℃。在不同的季節(jié)高溫防護(hù)服的穿著部位是不同的，其中在夏季主要是在T恤的外層部位，而對于其他的季節(jié)則主要是在熱防護(hù)服、外套之間的位置。因此比較合適的相變溫度范圍是15-32℃，由此可以滿足高溫防護(hù)的要求。

1.1.3 PCM材料選擇

根據(jù)以上結(jié)果看出，選擇最佳的材料應(yīng)該是有機(jī)物石蠟烷烴類的PCM，這種材料可滿足固-液相變、儲熱容量較大、常溫相變溫度等。經(jīng)過詳細(xì)對比和研究，最終確定采用偶數(shù)正構(gòu)烷烴作為高溫防護(hù)服用PCM。因此，在本次實(shí)驗(yàn)中采用了天津試劑研究所提供的PCM 材料，主要有正十六烷（AR）、正十八烷（AR）、正二十烷（AR）、正二十二烷（AR）。

1.2 試驗(yàn)主要儀器

試驗(yàn)儀器為：DHG-9241A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海圣欣儀器公司），工作溫度范圍0~300℃；EL204 分析天平（昆山順諾公司），精度可達(dá)0.01g，測量范圍是0~600g。

1.3 相變材料制備過程

在研究過程中，將1.1.3選擇的PCM材料根據(jù)合適比例混合，以此形成復(fù)合PCM。這種方式可彌補(bǔ)單一PCM的不足，確保相變溫度滿足使用要求。在本文中主要根據(jù)理想溶液模型進(jìn)行設(shè)計，具體的過程如下：

1.3.1 復(fù)合PCM的制備

先對理論摩爾分?jǐn)?shù)之比進(jìn)行計算，具體使用施羅德公式得到制備復(fù)合PCM 樣品所需的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；然后對對樣品進(jìn)行DSC測試，獲得對應(yīng)的熱焓值、相變溫度信息；基于以上數(shù)據(jù)，分析最佳復(fù)合PCM 的配比參數(shù)，以保證達(dá)到要求的相變溫度，同時熱焓值達(dá)到較高的要求。

1）復(fù)合PCM 的理論配比：在本次研究中，利用MATLAB軟件繪制最低共熔點(diǎn)圖。具體結(jié)合施羅德公式將兩種PCM 的參數(shù)輸入軟件中，然后繪制達(dá)到二者最低共熔點(diǎn)的圖，即為圖3 中所示。根據(jù)圖3 可知，如果A、B 復(fù)合配比是MA：MB=0.89：0.11，可達(dá)到最低共熔點(diǎn)276.5K（3.35℃）。按照相同的方式可以將正二十二烷、正二十烷等兩兩復(fù)合，具體配比信息如表1中所示。

圖3 2種材料的低共熔點(diǎn)圖Fig.3 Low eutectic point diagram of two materials

表1 復(fù)合PCM的理論配比信息表Tab.1 Theoretical proportioning information of composite PCM

2）復(fù)合PCM的制備：復(fù)合PCM的制備需要滿足一定的環(huán)境條件。本次制備主要在實(shí)驗(yàn)室中完成，設(shè)定平均濕度和溫度分別是53.4%、18.4℃。具體步驟為：首先對試管進(jìn)行干燥，編號為1#~6#，然后置于試管架上；設(shè)置恒溫干燥箱溫度為60℃，備好其他的材料和儀器，檢測儀器的功能以及精度等是否達(dá)到要求。在上述準(zhǔn)備工作完成后，根據(jù)表1的配比制備復(fù)合PCM。首先制備1#復(fù)合PCM（正十六烷、正十八烷），具體的制備過程為：分別稱取正十六烷、正十八烷4g、1.7g，然后添加到1#試管中進(jìn)行封閉，然后置于恒溫箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度為60℃；在全部PCM 變?yōu)橐后w后，即說明二者已經(jīng)混合均勻。此時取出試管置于冰箱內(nèi)，溫度設(shè)置為-10℃；待PCM 變?yōu)楣腆w后即得到復(fù)合PCM。按照上述方式可以完成對其他復(fù)合PCM樣品的制備。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合PCM的實(shí)際最優(yōu)配比

基于DSC 測試方法對復(fù)合PCM 的最優(yōu)配比參數(shù)進(jìn)行確定，由此可以獲得最優(yōu)配比的復(fù)合PCM。各種復(fù)合PCM 的DSC 曲線如圖4 所示。根據(jù)圖4 可知，4#~6#存在兩個波峰，即在溫度增大的過程中，正十八烷、正二十烷，正二十二烷、正二十烷形成的復(fù)合PCM 存在兩次相變，而這與復(fù)合PCM 的最低共熔點(diǎn)特性并不相符。產(chǎn)生以上問題的主要原因，是因?yàn)閰⑴c復(fù)合配比的烷烴存在兩個大小不同的相變溫度點(diǎn)，從而分別對應(yīng)復(fù)合PCM和烷烴本身的相變溫度。

圖4 6種復(fù)合PCM的DSC曲線Fig.4 DSC curves of six kinds of composite PCM

2.2 電力高溫防護(hù)服用復(fù)合PCM確定

為了保證PCM 有較好的熱防護(hù)作用，需要保證其吸熱，因此需要考慮到在PCM 升溫時的參數(shù)設(shè)置。根據(jù)圖4 的結(jié)果可知，1#~6#的相變溫度分別是19.29℃、 17.16℃、 16.80℃、 31.31℃、 28.96℃、38.06℃，即僅有4#、5#復(fù)合PCM 與高溫防護(hù)服用PCM 的需求相變溫度基本一致，而其他復(fù)合PCM 的相變溫度過高或者過低。進(jìn)一步根據(jù)相變溫度范圍進(jìn)行判斷，4#、5#復(fù)合PCM 的相變溫度范圍分別對應(yīng)著17.56~34.37℃、13.09~32.12℃，因此選擇4#復(fù)合PCM 作為高溫防護(hù)服用PCM 是比較合適的，此時的摩爾分?jǐn)?shù)比值是M（C18H38）：M（C20H42）=0.69：0.31。

3 結(jié)語

文章主要對電力作業(yè)服裝使用的相變材料制備進(jìn)行研究，研究過程中確定了服裝中使用復(fù)合PCM 的相變溫度范圍，在此基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)方法確定了對應(yīng)的烷烴類PCM，即在復(fù)合配比高溫防護(hù)服用的PCM樣品中主要采用正十八烷+正二十烷進(jìn)行制備，可保證電力野外作業(yè)服裝達(dá)到應(yīng)用的要求，從而為電力工人提供更為舒適的作業(yè)環(huán)境。