礦用降溫服常溫石蠟基相變材料制備及性能研究

孫文娟，許雯婷，董清麗

（安徽職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230051）

隨著礦井開采深度的不斷增加，高溫礦井也越來越多，礦井熱害對井下作業(yè)工人身心健康的危害也越來越嚴重[1-3]，嚴重影響作業(yè)人員的工作效率和人身安全，因此必須對高溫礦井井下作業(yè)人員進行降溫防護[4]。相變材料在高于自身相變溫度的環(huán)境中可以吸收環(huán)境的熱量從而產(chǎn)生相變，利用相變的吸熱特性制作的降溫服可以為礦井高溫作業(yè)人員提供降溫防護，從而改善礦工的工作熱環(huán)境，對提高工人的工作效率和安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 試驗部分

將不同相變溫度的石蠟或純組分烷烴混合后進行水浴加熱并攪拌均勻，調(diào)整石蠟或純組分烷烴的混合比例，將其相互復配，制備出相變溫度介于二者之間的石蠟基相變材料。對制備不同相變溫度的相變材料，通過差示掃描量熱法（DSC）測量相變溫度和相變潛熱[5]，研制出滿足礦工熱舒適性的常溫石蠟基相變材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 固體石蠟和液體石蠟復配

固體石蠟是礦物蠟的一種，又稱晶形蠟，是碳原子數(shù)約為18～30的烴類混合物，主要組分為直鏈烷烴（約為80%～95%），還有少量帶個別支鏈的烷烴和帶長側(cè)鏈的單環(huán)環(huán)烷烴（兩者合計含量20%以下）[6]。液體石蠟為從原油分餾所得到的無色無味的透明油狀液體，其主要成分為C16-C20 正構(gòu)烷烴。它可以分成輕質(zhì)礦物油及一般礦物油兩種[7]。

選取固體石蠟（切片石蠟）和液體石蠟進行復配，取適量的固體石蠟和液體石蠟于燒杯中，然后進行水浴加熱[8]。設置水浴鍋的溫度為70℃，加熱1 h,待石蠟被加熱至完全融化后形成均勻穩(wěn)定的液體，用玻璃棒攪拌均勻，靜置冷卻，形成固體混合石蠟，將所制得的樣品用封裝帶進行封裝，用DSC檢測[9]。將檢測結(jié)果繪制成折線圖1、圖2。

圖1 固體石蠟的含量對相變溫度的影響

圖2 固體石蠟的含量對相變潛熱的影響

從圖1 可以看出，隨著固體石蠟含量的減少，液體石蠟含量的增加，相變溫度總體上不斷減少。從圖2可以看出，隨著固體石蠟含量的增加，液體石蠟含量的減少，相變潛熱不斷減小。綜合圖1、圖2 可以看出，不論是相變溫度還是相變潛熱，在兩者復配過程中起決定性作用的是固體石蠟。

將固體石蠟和液體石蠟用水浴加熱法進行混合制備相變材料，隨著固體石蠟比例的減小，可以制備出接近目標相變溫度的相變材料。從檢測結(jié)果可以看出，樣品S10是最接近目標相變溫度的。S10的固體石蠟含量為10%，液體石蠟含量為90%，從其DSC檢測圖可以看出，此時的相變溫度為21.4℃，接近目標相變溫度，但此時的相變潛熱過低，為17.37 J/g，若進一步改變固體石蠟和液體石蠟的比例，將相變溫度調(diào)節(jié)至15℃左右，相變潛熱會進一步減小，若將此材料用于制作降溫服，應用過程中蓄冷時間太短，應用價值不高。故固體石蠟和液體石蠟無法制備符合要求的相變材料。

2.2 固體石蠟、液體石蠟和十四烷復配

由于固體石蠟和液體石蠟制備出接近目標相變溫度的相變材料時，相變材料的相變潛熱過低，而純組分烷烴具有相變潛熱高的優(yōu)點，故嘗試加入純組分烷烴的方法與固體石蠟、液體石蠟進行混合復配，用以制備常溫相變材料。

由于純組分單碳原子數(shù)的烷烴價格較高，故其使用量越低越經(jīng)濟[10]。根據(jù)固體石蠟和液體石蠟的試驗結(jié)果可以看出，隨著高相變溫度的固體石蠟的含量減少，低相變溫度的液體石蠟的含量升高，復配的樣品相變溫度不斷降低，且低相變溫度的液體石蠟的含量達到90%時，所制備的樣品溫度接近16℃。由于十四烷的相變溫度和液體石蠟的相變溫度相近，且其相變潛熱較高，故可以使用十四烷、液體石蠟和固體石蠟進行復配。在進行固體石蠟、液體石蠟和純組分單碳原子烷烴混合時，純組分烷烴的相變溫度越低，在制備15℃左右的相變材料時其用量越少。故綜合考慮，探究十四烷、液體石蠟、固體石蠟三組分進行復配制備相變材料。

從圖3 中可以看到，隨著固體石蠟的比例下降，所制備的樣品的相變溫度不斷降低，且液體石蠟、十四烷、固體石蠟的比例為3∶6∶1 時，其相變溫度為16.5℃，最接近目標相變溫度。從圖4可以看到，隨著固體石蠟的比例下降，所制備樣品的相變潛熱大幅降低，當液體石蠟、十四烷、固體石蠟的比例為3∶6∶1時，其相變潛熱為19.8J/g，相變潛熱過低。

圖3 比例對相變溫度的影響

圖4 比例對相變潛熱的影響

在上述試驗的基礎上進行純組分烷烴、液體石蠟、固體石蠟三組分混合試驗，在綜合考慮純組分烷烴的相變溫度、相變潛熱下，選擇用十四烷、液體石蠟、固體石蠟三組分進行復配。經(jīng)不斷調(diào)整三種組分的比例，可以制備出相變溫度為常溫的相變材料，但是由于相變潛熱過低，實際使用價值不大。

2.3 液體石蠟和十八烷復配

十八烷的相變溫度為28.2℃，若液體石蠟和十八烷可以均勻混合復配，則可以通過調(diào)節(jié)二者的混合比例制備出常溫相變材料[11]。將十八烷和液體石蠟按照不同的比例混合用以制備常溫相變材料[12]。

從圖5 可以看出，隨著十八烷含量的減少，液體石蠟含量的增加，相變溫度不斷減少。從圖6 可以看出，隨著液體石蠟含量的增加，十八烷含量的減少，相變潛熱呈現(xiàn)不斷減小的趨勢。十八烷和液體石蠟混合制備相變材料，隨著十八烷含量的減少，可以制備出接近目標相變溫度的相變材料。從檢測結(jié)果可以看出，樣品A4、A5 最接近目標相變溫度。A4 的液體石蠟含量為40%，十八烷含量為60%，此時的相變溫度為16.9℃；A5的液體石蠟含量為50%，十八烷含量為50%，此時的相變溫度為14.9℃。經(jīng)過對比相變潛熱后發(fā)現(xiàn)，樣品A4的相變潛熱為124.2 J/g，高于A5 的97.11 J/g。雖然A4和A5的相變溫度都接近于目標相變溫度，但是A4的相變潛熱更高，故最佳組為A4。故通過將液體石蠟和十八烷按照4∶6 的比例混合后可以制備出相變潛熱較高且相變溫度為常溫的相變材料。

圖5 液體石蠟含量對相變溫度的影響

圖6 液體石蠟含量對相變潛熱的影響

3 結(jié)論

通過研究不同種類的石蠟混合、石蠟和純組分烷烴混合復配，發(fā)現(xiàn)固體石蠟和液體石蠟混合或固體石蠟、液體石蠟、十四烷三者混合可以制備出常溫下相變材料。但由于復配后，雖然相變溫度可以滿足要求，但是相變潛熱太低，實際應用過程中蓄冷時間太短，應用價值不高。液體石蠟與十八烷以4∶6的比例混合，制備出了相變溫度為常溫且相變潛熱較高的相變材料，其相變溫度為16.9℃，相變潛熱為124.2 J/g，能夠滿足井下降溫服的需要。

綜上所述，本文研制的常溫石蠟基相變材料相變溫度適合，且相變潛熱較大，材料價格低廉，制備容易，能夠滿足井下礦工降溫服的蓄冷需要。