石蜡基复合相变材料的制备及性能研究*

张财进 杨 树

嘉兴学院南湖学院化纺系，浙江 嘉兴314000

石蜡基复合相变材料的制备及性能研究*

张财进 杨 树

嘉兴学院南湖学院化纺系，浙江 嘉兴314000

采用熔融共混法，将不同相变温度的2种石蜡及石墨进行复合，得到新的相变材料，并将它们应用于服装面料。通过差示扫描量热法(DSC)及导热性测试获得相变材料的相变温度、相变焓及导热速率等；采用红外热成像仪测试面料的控温效果。结果表明，复合的含石墨的相变材料保留着高相变潜热的优点，同时传热效率有所增高，应用于服装面料可实现控温效果。

石蜡， 石墨， 复合， 相变材料， 控温面料

相变材料在温度变化时通过改变自身相态来吸收或释放大量的潜热，从而起到在一定时间内控制温度变化的作用。在众多相变材料中，固-液转变类材料——聚乙二醇和石蜡具有较高的相变潜热、热稳定性高、来源丰富、价格便宜，且无毒、无腐蚀性，是最常用的一类相变蓄能材料，但这类相变材料在使用过程中易发生泄漏，且形变不易控制。本项目组曾利用PEG作为基体相变材料、PP作为辅助骨架材料，制备出PEG/PP复合定型相变材料，克服了纯相变材料在相变过程中形态改变过大、不易控制的缺点，其在布样上的实际温控效果良好[1]。此外，石蜡类材料还存在一个较大的缺陷——导热性能较差，因此很多研究集中在如何提高石蜡类相变材料的导热率上。例如，文献[2]～文献[6]在石蜡类相变材料中嵌入金属材料，制成的复合相变材料可在密度和单位体积的相变潜热都改变很小的情况下，导热系数大幅提高；文献[7]～文献[11]以石蜡作为相变材料并辅以膨胀石墨，提高了导热率；文献[12]～文献[13]将石蜡与交联树脂高分子进行复合得到相变储能材料，同时添加高导热系数的纳米颗粒，不仅显著提高了相变储能材料的导热系数，而且在石蜡熔化时，纳米颗粒在基体物质中的布朗运动使得石蜡不易沉降分离，因而减少了对管道的磨损和堵塞。

石蜡类产品多以相对分子质量命名，且相对分子质量确定后，其相变温度和相变焓也随即相对确定。如能将2种不同相对分子质量的石蜡相混合，形成1种具有新的相变温度的石蜡材料，则可以扩大石蜡的产品种类，满足不同应用条件对温度的要求。

本文针对石蜡类材料的缺陷，先采用熔融共混法，将2种不同熔点的石蜡进行复合，尝试得到1种新的相变材料；随后加入一定量的石墨颗粒，以期提高产品的导热性能；利用差示扫描量热法(DSC)测试及导热性测试，研究相变材料的相变温度、相变焓及导热速率等性能；最后，将相变材料应用于服装面料，采用红外热成像仪记录布料的温度变化，验证相变材料在服装面料上的控温效果。

1 试验部分

1.1 主要材料与设备

1.1.1 主要材料

2种不同熔点的石蜡(石蜡80，熔点为80.0 ℃；石蜡110，熔点为110.0 ℃)作为相变材料，均来自中国石油化工股份有限公司；石墨颗粒细度为10 000 目，来自青岛金来石墨有限公司。

1.1.2 主要设备

电炉(武汉华威化工有限公司制造)、石棉网、电子天平、烧杯、玻璃棒等。

1.2 制备过程

采用熔融共混法，将2种石蜡以一定的质量比在一定的温度下进行熔化，再通过机械搅拌使2种石蜡均匀混合，然后降温冷却。具体步骤：

(1) 利用电子天平分别称取石蜡80(2份，各5.0 g)、石蜡110(2份，各5.0 g)；

(2) 将石棉网置于电炉上，打开电炉；

(3) 取1份石蜡80和1份石蜡110倒入1号烧杯，置于石棉网上进行加热，同时使用玻璃棒缓慢搅拌，直到熔融；

(4) 停止加热，待复合的相变材料冷却凝固后取出，记为石蜡80/石蜡110。

(5) 取1份石蜡80和1份石蜡110倒入2号烧杯，置于石棉网上进行加热，同时使用玻璃棒缓慢搅拌，直到熔融；

(6) 向加热的2号烧杯中加入0.2 g石墨，并快速搅拌，使石蜡与石墨充分熔合；

(7) 停止加热，待复合的相变材料冷却凝固后取出，记为石蜡80/石蜡110/石墨；

(8) 试验制备过程结束。

1.3 性能测试

1.3.1 热学性能

相变温度和相变焓是评价相变材料热学性能的重要技术指标。采用差示扫描量热法(DSC)进行测试，每种相变材料样品的测试量为8～10 mg，测试温度范围从室温升至300.0 ℃(升温速率为10.0 ℃/min)。

先将样品装入标准铝坩埚，然后一同放入DSC测试仪器中测试。完整的1次测试过程是先从室温升至300.0 ℃，再保温，然后自然降至室温，即得到完整的DSC曲线。

1.3.2 导热性能

将待测相变材料样品放入烧杯中，通过水浴(水温为99.0 ℃)加热，并用玻璃棒搅拌使其均匀熔化。同时，将温度计固定在样品中心，待温度计显示达到99.0 ℃时，迅速移开水浴锅，让样品在自然条件下冷却至室温，记录样品温度随时间的变化曲线。每种相变材料测试3次，取平均值用于比较。具体试验装置如图1所示。

图1 试验装置示意

1.3.3 实际控温效果

将2种原始的相变材料和制得的2种复合的相变材料分别添加到服装面料上，测试4种相变材料在温度变化过程中的实际控温效果。测试选择红外波段的摄像机——M7604E-F红外热成像仪，利用实时的扫描热成像技术进行温度分析。

2 结果与讨论

2.1 复合的相变材料形态表征

所复合的相变材料石蜡80/石蜡110(图2)和石蜡80/石蜡110/石墨(图3)的表观透亮、均匀，这说明宏观上它们已熔合均匀。

图2 石蜡80/石蜡110

图3 石蜡80/石蜡110/石墨

2.2 DSC测试结果

利用差示扫描量热仪分别对2种原始的相变材料(石蜡80、石蜡110)和2种复合的相变材料(石蜡80/石蜡110、石蜡80/石蜡110/石墨)的热学性能进行研究，所得测试结果如图4所示。

(a) 石蜡80

(b) 石蜡110

(c) 石蜡80/石蜡110

(d) 石蜡80/石蜡110/石墨

并将图4中的几个重要热学指标数据汇总于表1中。

表1 试样的热性能

注：Tonset——起始点温度；Tend——终止点温度；Tpeak——峰值温度； △Hm——相变焓

从表1可以看出，2种复合的相变材料的相变峰只有1个，且起始相变温度都介于2种原始的相变材料(石蜡80和石蜡110)之间，这说明2种石蜡已很好地熔合在一起；相变焓方面，2种复合的相变材料的相变焓也都介于2种石蜡之间，其中含石墨的复合的相变材料(石蜡80/石蜡110/石墨)的相变焓略有降低。

2.3 导热速率

复合的相变材料导热性能曲线如图5所示。

从图5可以看出：2种复合的相变材料，放热刚开始时速率较快，因为温差较大，热量极易由石蜡传递给外部环境；随着时间的推移，导热速率慢慢减小，原因在于液相减少，热量向外传递变慢；最后降温趋于平缓，直至接近室温。其中，石墨的加入提高了导热性能、缩短了导热时间，使石蜡80/石蜡110/石墨的导热速率明显加快。

图5 复合的相变材料放热性能曲线

2.4 实际温控效果

将服装用纯棉坯布剪裁成尺寸为10 cm×8 cm的5块面料；将4种相变材料加热至熔融；将剪裁好的4块面料分别浸渍在4种熔融的液态相变材料中，剩余的1块面料作为对比；待面料完全浸渍后取出，自然冷却至室温；再将面料放入鼓风干燥箱中加热至110.0 ℃左右，然后迅速取出，置于室温条件下自然冷却，20 s后利用红外热成像仪拍摄样品，拍摄环境温度为20.0 ℃、拍摄距离为30 cm，所得红外热成像如图6所示。

SP1——试验台； SP2——未浸渍相变材料的面料(对比用)； SP3——浸渍石蜡80/石蜡110/石墨复合材料的面料； SP4——浸渍石蜡80的面料； SP5——浸渍石蜡110的面料； SP6——浸渍石蜡80/石蜡110复合材料的面料图6 红外热成像图

为进行精确的验证和比较，取图6中试样台及5块面料上5个不同部位的温度，计算其平均温度并总结于表2中。

表2 红外热成像图中的温度分布

从表2可以看出，在面料的降温过程中，未浸渍相变材料的面料(SP2)温度下降最快；在浸渍了相变材料的4块面料中，浸渍石蜡80的面料(SP4)降温最快，其次是浸渍石蜡80/石蜡110/石墨的面料(SP3)，再次是浸渍石蜡80/石蜡110的面料(SP6)，而浸渍石蜡110的面料(SP5)降温最慢。

这说明相变材料的添加提高了面料的储热能力，减缓了面料在环境温度变化时的变温速度，且相变材料的焓值越大，这种减缓效果越持久、越明显。如石蜡110的相变焓最大，其储热能力最强，面料降温的速度也最慢，其与石蜡80复合后储热能力得到中和，石墨的加入对相变焓的影响较小，温控效果也较好。

3 结论

对石蜡80、石蜡110及石墨进行复合得到了新的相变材料，通过测试得到：

(1) 2种不同熔点的石蜡通过熔融法复合后，所得相变材料在DSC测试中只呈现出1个熔融峰，说明这2种石蜡能均匀地熔合，且复合的相变材料的相变温度和相变焓都处于2种石蜡之间。故可根据不同应用条件的温度要求，采用此法制备各种相变温度和相变焓的相变材料，扩展石蜡类材料的应用范围。

(2) 在复合的相变材料中加入一定量的石墨能提高导热速率、缩短导热时间，虽然其相变焓略有减小，但仍具备石蜡类材料相变焓高、储热能力强的特点。

(3) 红外热成像仪记录显示，复合的相变材料应用于服装面料后，从高温环境到低温环境的温度变化过程中，面料具有明显的控温效果。故复合的相变材料具有作为控温材料应用于服装面料的可行性。

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Preparation and properties’ research of paraffin-based composite phase change materials

ZhangCaijin，YangShu

Department of Chemical and Textile, College of Nanhu, Jiaxing University，Jiaxing 314000，China

Using melt-compounding method, two kinds of paraffin with different phase-transition temperatures and graphite were compounded to obtain new phase change materials, which were applied in garment materials. The phase-transition temperatures, phase-transition enthalpies and heat transfer rate of the phase change materials were tested by differential scanning calorimetry and thermal conductivity. And the temperature control effect of fabric was tested by infrared thermal imaging equipment.The results showed that, the phase change material which compounded with graphite kept the advantages of high phase change latent heat, and it’s heat transfer efficiency increased, which could realize the temperature control effect when applied in garment materials.

paraffin， graphite， composite， phase change material， temperature control fabric

*国家自然科学青年基金(51403078)；浙江省教育厅科研项目(Y201226223)

2016-08-17

张财进，男，1993年生，在读本科生，研究方向为纺织材料的结构特征与性能关系

杨树，E-mail：yangshu5678@163.com

TS195.2

A

1004-7093(2017)01-0031-05