矿用降温服常温石蜡基相变材料制备及性能研究

孙文娟，许雯婷，董清丽

（安徽职业技术学院，安徽 合肥 230051）

随着矿井开采深度的不断增加，高温矿井也越来越多，矿井热害对井下作业工人身心健康的危害也越来越严重[1-3]，严重影响作业人员的工作效率和人身安全，因此必须对高温矿井井下作业人员进行降温防护[4]。相变材料在高于自身相变温度的环境中可以吸收环境的热量从而产生相变，利用相变的吸热特性制作的降温服可以为矿井高温作业人员提供降温防护，从而改善矿工的工作热环境，对提高工人的工作效率和安全生产具有重要意义。

1 试验部分

将不同相变温度的石蜡或纯组分烷烃混合后进行水浴加热并搅拌均匀，调整石蜡或纯组分烷烃的混合比例，将其相互复配，制备出相变温度介于二者之间的石蜡基相变材料。对制备不同相变温度的相变材料，通过差示扫描量热法（DSC）测量相变温度和相变潜热[5]，研制出满足矿工热舒适性的常温石蜡基相变材料。

2 结果与讨论

2.1 固体石蜡和液体石蜡复配

固体石蜡是矿物蜡的一种，又称晶形蜡，是碳原子数约为18～30的烃类混合物，主要组分为直链烷烃（约为80%～95%），还有少量带个别支链的烷烃和带长侧链的单环环烷烃（两者合计含量20%以下）[6]。液体石蜡为从原油分馏所得到的无色无味的透明油状液体，其主要成分为C16-C20 正构烷烃。它可以分成轻质矿物油及一般矿物油两种[7]。

选取固体石蜡（切片石蜡）和液体石蜡进行复配，取适量的固体石蜡和液体石蜡于烧杯中，然后进行水浴加热[8]。设置水浴锅的温度为70℃，加热1 h,待石蜡被加热至完全融化后形成均匀稳定的液体，用玻璃棒搅拌均匀，静置冷却，形成固体混合石蜡，将所制得的样品用封装带进行封装，用DSC检测[9]。将检测结果绘制成折线图1、图2。

图1 固体石蜡的含量对相变温度的影响

图2 固体石蜡的含量对相变潜热的影响

从图1 可以看出，随着固体石蜡含量的减少，液体石蜡含量的增加，相变温度总体上不断减少。从图2可以看出，随着固体石蜡含量的增加，液体石蜡含量的减少，相变潜热不断减小。综合图1、图2 可以看出，不论是相变温度还是相变潜热，在两者复配过程中起决定性作用的是固体石蜡。

将固体石蜡和液体石蜡用水浴加热法进行混合制备相变材料，随着固体石蜡比例的减小，可以制备出接近目标相变温度的相变材料。从检测结果可以看出，样品S10是最接近目标相变温度的。S10的固体石蜡含量为10%，液体石蜡含量为90%，从其DSC检测图可以看出，此时的相变温度为21.4℃，接近目标相变温度，但此时的相变潜热过低，为17.37 J/g，若进一步改变固体石蜡和液体石蜡的比例，将相变温度调节至15℃左右，相变潜热会进一步减小，若将此材料用于制作降温服，应用过程中蓄冷时间太短，应用价值不高。故固体石蜡和液体石蜡无法制备符合要求的相变材料。

2.2 固体石蜡、液体石蜡和十四烷复配

由于固体石蜡和液体石蜡制备出接近目标相变温度的相变材料时，相变材料的相变潜热过低，而纯组分烷烃具有相变潜热高的优点，故尝试加入纯组分烷烃的方法与固体石蜡、液体石蜡进行混合复配，用以制备常温相变材料。

由于纯组分单碳原子数的烷烃价格较高，故其使用量越低越经济[10]。根据固体石蜡和液体石蜡的试验结果可以看出，随着高相变温度的固体石蜡的含量减少，低相变温度的液体石蜡的含量升高，复配的样品相变温度不断降低，且低相变温度的液体石蜡的含量达到90%时，所制备的样品温度接近16℃。由于十四烷的相变温度和液体石蜡的相变温度相近，且其相变潜热较高，故可以使用十四烷、液体石蜡和固体石蜡进行复配。在进行固体石蜡、液体石蜡和纯组分单碳原子烷烃混合时，纯组分烷烃的相变温度越低，在制备15℃左右的相变材料时其用量越少。故综合考虑，探究十四烷、液体石蜡、固体石蜡三组分进行复配制备相变材料。

从图3 中可以看到，随着固体石蜡的比例下降，所制备的样品的相变温度不断降低，且液体石蜡、十四烷、固体石蜡的比例为3∶6∶1 时，其相变温度为16.5℃，最接近目标相变温度。从图4可以看到，随着固体石蜡的比例下降，所制备样品的相变潜热大幅降低，当液体石蜡、十四烷、固体石蜡的比例为3∶6∶1时，其相变潜热为19.8J/g，相变潜热过低。

图3 比例对相变温度的影响

图4 比例对相变潜热的影响

在上述试验的基础上进行纯组分烷烃、液体石蜡、固体石蜡三组分混合试验，在综合考虑纯组分烷烃的相变温度、相变潜热下，选择用十四烷、液体石蜡、固体石蜡三组分进行复配。经不断调整三种组分的比例，可以制备出相变温度为常温的相变材料，但是由于相变潜热过低，实际使用价值不大。

2.3 液体石蜡和十八烷复配

十八烷的相变温度为28.2℃，若液体石蜡和十八烷可以均匀混合复配，则可以通过调节二者的混合比例制备出常温相变材料[11]。将十八烷和液体石蜡按照不同的比例混合用以制备常温相变材料[12]。

从图5 可以看出，随着十八烷含量的减少，液体石蜡含量的增加，相变温度不断减少。从图6 可以看出，随着液体石蜡含量的增加，十八烷含量的减少，相变潜热呈现不断减小的趋势。十八烷和液体石蜡混合制备相变材料，随着十八烷含量的减少，可以制备出接近目标相变温度的相变材料。从检测结果可以看出，样品A4、A5 最接近目标相变温度。A4 的液体石蜡含量为40%，十八烷含量为60%，此时的相变温度为16.9℃；A5的液体石蜡含量为50%，十八烷含量为50%，此时的相变温度为14.9℃。经过对比相变潜热后发现，样品A4的相变潜热为124.2 J/g，高于A5 的97.11 J/g。虽然A4和A5的相变温度都接近于目标相变温度，但是A4的相变潜热更高，故最佳组为A4。故通过将液体石蜡和十八烷按照4∶6 的比例混合后可以制备出相变潜热较高且相变温度为常温的相变材料。

图5 液体石蜡含量对相变温度的影响

图6 液体石蜡含量对相变潜热的影响

3 结论

通过研究不同种类的石蜡混合、石蜡和纯组分烷烃混合复配，发现固体石蜡和液体石蜡混合或固体石蜡、液体石蜡、十四烷三者混合可以制备出常温下相变材料。但由于复配后，虽然相变温度可以满足要求，但是相变潜热太低，实际应用过程中蓄冷时间太短，应用价值不高。液体石蜡与十八烷以4∶6的比例混合，制备出了相变温度为常温且相变潜热较高的相变材料，其相变温度为16.9℃，相变潜热为124.2 J/g，能够满足井下降温服的需要。

综上所述，本文研制的常温石蜡基相变材料相变温度适合，且相变潜热较大，材料价格低廉，制备容易，能够满足井下矿工降温服的蓄冷需要。