交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑的研制

朱傳勇 黃恒鈞 原小寓 林鵬 浦麗莉 肖雪 劉麗麗 欒敏杰

摘要：以自制的部分交聯(lián)聚丙烯酰胺為主要原料，加入羧甲基纖維素、甘油等助劑配制成水凝膠，成型裝袋成為蓄冷產(chǎn)品，對蓄冷產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明制得的產(chǎn)品具有良好的蓄冷性能。

關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚丙烯酰胺 蓄冷劑 相變溫度 蓄冷效果

相變儲能材料是近段時間國內(nèi)外能源利用和材料科學(xué)方面研究的熱點(diǎn)。相變儲能材料是指在其物相變化過程中，可以從環(huán)境吸收熱量或向環(huán)境放出熱量，從而達(dá)到能量的儲存和釋放目的材料，以解決能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾。利用此特性，相變儲能材料在太陽能利用、廢熱和余熱的回收利用、節(jié)能建筑材料、空調(diào)的節(jié)能以及食品保鮮等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

高分子相變蓄冷劑是一種新發(fā)展起來的相變蓄能材料，蓄冷量大、產(chǎn)品無毒無臭、無腐蝕性、成本低、制作簡單、因而得到人們的廣泛關(guān)注，開發(fā)高分子蓄冷劑是蓄冷行業(yè)中研究的熱點(diǎn)[2]。

聚丙烯酰胺（PAM）是一種水溶性高分子，具有高吸水性，是水溶性高分子化合物中應(yīng)用最為廣泛的品種之一[3]。以部分交聯(lián)的聚丙烯酰胺或其接枝聚合物為主要成分的有彈性的凝膠狀材料，是一種高性能蓄冷材料，冷凍后可以緩慢釋放能量，如果將其與隔熱箱一起使用，可以取到良好的低溫儲藏效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料 部分交聯(lián)聚丙烯酰胺，自制；甘油，哈爾濱醫(yī)藥化工試劑廠；羧甲基纖維素，石家莊森隆化工有限公司；雪糕（65g/支），哈爾濱華義食品有限公司。

1.2 設(shè)備 6511精密電動攪拌器，蘇州威爾實(shí)驗(yàn)用品有限公司；DK-98-1型電子恒溫水浴鍋，蘇州威爾實(shí)驗(yàn)用品有限公司；XWCJ-301 大型長圖自動平衡記錄儀，上海雨嘉科技有限公司；K型熱電偶，江蘇中能儀表科技有限公司；1L保溫瓶，汕頭市萬茂塑膠制品有限公司。

1.3 交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑的制備 ①將一定量的羧甲基纖維素與甘油共混，然后將混合物倒入水中，攪拌至完全溶解；②取適量自制的部分交聯(lián)聚丙烯酰胺倒入上述溶液中，升溫?cái)嚢瑁两宦?lián)聚丙烯酰胺完全吸水；③將完全吸水的交聯(lián)聚丙烯酰胺產(chǎn)品倒入模具中緩慢冷卻至室溫，生成凝膠，將凝膠產(chǎn)品切割裝袋即成蓄冷劑產(chǎn)品。

1.4 蓄冷劑的相變溫度的測定 測量相變溫度、相變潛熱及比熱的方法主要有一般卡計(jì)法、差熱分析法、差示掃描量熱計(jì)法。本文采用了一種簡便的用于工程測溫法[4]，設(shè)備裝置簡圖如圖1所示。該方法的原理是采用冷卻的方法測定蓄冷材料的相變凝固溫度。將熱電偶插入相變蓄冷球內(nèi)，并將蓄冷球放入恒溫冷卻環(huán)境，由平衡記錄儀記錄熱電偶由于相變材料溫度變化而引起的熱電勢變化，然后由熱電勢轉(zhuǎn)換成溫度，得出蓄冷材料的溫度變化曲線。

1.5 交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷性能檢測

雪糕是深受廣大消費(fèi)者喜愛的冷凍食品，其品質(zhì)容易受溫度波動所影響。雪糕若溫度升高融化后，則氣泡逸出；即使溫度并沒有升高至雪糕融化就再降溫使之變硬，這種過程反復(fù)進(jìn)行的話，冰晶就會變大，使原來滑溜的舌觸感覺變得粗糙而喪失商品價值。

本文以雪糕冷藏為目標(biāo)，比較了交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑和冰作為蓄冷材料對雪糕冷藏的效果。采用了市售1L保溫瓶，放置在室溫為25℃的房間中。分別使用等質(zhì)量的交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑、冰作為蓄冷材料盛裝于蓄冷劑塑料袋內(nèi)密封，將蓄冷劑和冰凍結(jié)。將凍結(jié)的蓄冷劑和冰分別放置在保溫瓶蓋內(nèi)側(cè)與被保冷雪糕之間的縫隙內(nèi)，對雪糕進(jìn)行保冷貯藏，每隔30min測量距離保溫瓶頂部8cm處溫度，對交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑和冰的蓄冷效果進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)聚丙烯酰胺相變溫度測定結(jié)果

圖2為蓄冷球內(nèi)交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷材料的冷卻凝固曲線。

從該圖中可以看出，該交聯(lián)聚丙烯酰胺相變蓄冷材料有一定的過冷度，約為2.1℃；相變材料的凝固曲線有一個平臺，即有一定的相變溫度，約為0℃。

在凝固過程中，溫度下降速度的變化趨勢為先快后慢，原因在于：隨凝固過程的推進(jìn)，固相區(qū)厚度逐漸增加，傳熱熱阻增加；蓄冷球溫度下降，與冷媒溫度差逐漸減小，傳熱推動力減小，傳熱速度隨之下降。

2.2 交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷性能檢測結(jié)果

圖3是以交聯(lián)聚丙烯酰胺和作為蓄冷材料儲存冰糕蓄冷效果對比。

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圖3 交聯(lián)聚丙烯酰胺與冰蓄冷效果對比圖

從采用交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑及冰的保溫瓶內(nèi)被保冷物品——雪糕的平均溫度變化對比曲線可以看出：在保溫瓶內(nèi)溫度、保溫瓶外側(cè)溫度、被保冷物品及其預(yù)冷溫度、蓄冷劑質(zhì)量、放置方式等實(shí)驗(yàn)條件完全相同的情況下，本實(shí)驗(yàn)提供的交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑、冰在被保冷物品平均溫度為10℃以下的有效蓄冷時間分別為32.6小時、8.2小時。由此可見：本實(shí)驗(yàn)提供的蓄冷劑具有比冰更好的保冷效果。

3 結(jié)論

本文以自制的部分交聯(lián)聚丙烯酰胺為主要原料，以甘油羧甲基纖維素等為助劑，制備了交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑，以雪糕為儲存目標(biāo)，比較了交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑與冰的蓄冷效果，本文提供的交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑在被保冷物品雪糕平均溫度為10℃以下的有效蓄冷時間為32.6小時。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知本文研究的交聯(lián)聚丙烯酰胺蓄冷劑在一個相對封閉的環(huán)境中顯示出較好的溫

度調(diào)控性能，可以在一定時段內(nèi)維持食品所需的溫度環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘學(xué)明，肖金輝，姜亞龍.相變貯熱材料及其在太空中的應(yīng)用[J].江西科學(xué)，2004，5（22）：399-402.

[2]郭靜，李楠.高分子基相變儲能材料的研究進(jìn)展[J].合成纖維，2008，37（5）：27-31.

[3]張婷，劉學(xué)之，劉德輝，等.室溫交聯(lián)聚丙烯酰胺的合成研究[J].沈陽化工學(xué)院學(xué)報，2006，（3）：161-164.

[4]方貴銀.蓄冷材料相變溫度與相變潛熱實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2001，20（3）：1-3.

基金項(xiàng)目：

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目，編號：11551389