化學(xué)交聯(lián)柔性聚乙烯醇型蓄冷劑的制備

馮立品 王明

摘要：針對目前聚乙烯醇水凝膠作為相變蓄冷劑應(yīng)用于降溫服中，存在冷凍后過硬的問題，本文在化學(xué)交聯(lián)制備過程中加入甘油，制備出柔性聚乙烯醇水凝膠，并通過單因素影響實(shí)驗(yàn)及正交實(shí)驗(yàn)確定了最佳合成條件.結(jié)果表明最佳的條件為：5%的聚乙烯醇溶液，2mL丙二醇、2mL甘油、10%的硼砂溶液.在此條件下合成的聚乙烯醇水凝膠，相變位溫度為-6.2℃，相變潛熱高達(dá)243.6J/g，且在-15℃低溫環(huán)境下冷凍24小時后，柔軟度適中，更適合應(yīng)用于降溫服中.

關(guān)鍵詞：聚乙烯醇水凝膠;化學(xué)交聯(lián);柔性;冷卻服

中圖分類號：O631.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）08-0020-03

熱負(fù)荷是工作人員長時間在高溫、高濕環(huán)境下的主要問題，如煤礦工人、建筑工人、消防人員、等，為了保護(hù)工作人員身體健康，研究人員開發(fā)了冷卻服.目前市場上的冷卻服，根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，可以分為空氣冷卻服、液體冷卻服、相變冷卻服.相變冷卻服因其冷卻效果好，不需要額外的制冷裝置，越來越受到人們的關(guān)注.而在相變冷卻服中相變材料是關(guān)鍵.采用化學(xué)交聯(lián)法制備的聚乙烯醇水凝膠蓄冷劑，因其有著很好的生物相容性，低毒性，較高的機(jī)械強(qiáng)度和極好的吸水性（相變潛熱大），并且屬于固-固相變，相變前后形狀固定，相變潛熱大，易于封裝，得到廣泛關(guān)注.使用時最簡單的方式就是，做成若干大小不一的形狀，插入冷卻服上面縫制的口袋中.但聚乙烯醇水凝膠實(shí)質(zhì)上發(fā)生相變的還是水，在使用之前，需要在低溫環(huán)境下蓄冷，但冷凍后過硬，不能貼合人體、這樣既不能使使用者穿著舒適，又造成能量浪費(fèi)[1-5].本文在交聯(lián)過程中加入柔軟劑甘油，制備出柔性聚乙烯醇水凝膠，使其在-15℃下冷凍24小時后仍然柔軟.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

1.2 技術(shù)路線

本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)試劑交聯(lián)法，在以前實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在加入降溫助劑的同時加入甘油，具體技術(shù)路線如圖1.

2 結(jié)果與討論

2.1 聚乙烯醇水凝膠冷凍后的柔軟度實(shí)驗(yàn)

基于本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模仍谝郧皩?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定其它合成條件：50mL6%的聚乙烯醇溶液中加入2mL丙二醇和不同體積的甘油，充分?jǐn)嚢韬蠹尤?0%的硼砂溶液15mL，測試在冷凍不同時間后的柔軟度.結(jié)果見表3.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出在加入2mL以上甘油時，經(jīng)24小時冷凍后，聚乙烯醇水凝膠柔軟度有明顯提升.

通過以上實(shí)驗(yàn)可知，要想保證聚乙烯醇水凝膠24小時冷凍后的柔軟度，需要加入1mL以上的甘油.以下討論在保證聚乙烯醇水凝膠柔軟度的同時，研究聚乙烯醇溶液、丙二醇、硼砂等各單因素的加入量對相變潛熱和相變溫度的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)，找到最佳制備條件.

2.2 丙二醇加入量影響因素實(shí)驗(yàn)

選取6%聚乙烯醇溶液50mL、2mL甘油、10%硼砂溶液15mL固定條件下，研究丙二醇的加入量對聚乙烯醇水凝膠相變溫度及相變潛熱的影響，見圖2.從圖可見，因?yàn)楸紴榻禍刂鷦S著丙二醇量的增加相變潛熱和相變溫度都逐漸降低.要想獲得高相變潛熱水凝膠，丙二醇的加入量不易過多.

2.3 甘油加入量影響因素實(shí)驗(yàn)

選取6%聚乙烯醇溶液50mL、2mL丙二醇、10%硼砂溶液15mL條件下，改變甘油用量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3.由圖可見，隨著甘油量的增加相變潛熱和相變溫度都逐漸降低，并且在加入量超過3mL時相變潛熱急劇下降，嚴(yán)重影響蓄冷劑的性能，所以滿足柔軟度的情況下甘油不易超過3mL，結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)，甘油的選用量宜在1～3ml之間.

2.3 聚乙烯醇加入量影響因素實(shí)驗(yàn)

在選取2mL丙二醇、2mL甘油、10%硼砂溶液15mL的條件下進(jìn)行，改變聚乙烯醇濃度，結(jié)果見圖4.由圖可見，隨著聚乙烯醇濃度增加，在5%時出現(xiàn)拐點(diǎn)，相變潛熱最大，然后隨著聚乙烯醇濃度增加，相變潛熱減小.相變溫度逐漸降低，在濃度為7%時，有所回升.在聚乙烯醇水凝膠中，發(fā)生相變的是水，聚乙烯醇的作用時形成三位網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固定水分子.因此，隨著聚乙烯醇加入量的增加，相應(yīng)水的含量減少，相變潛熱肯定會減少.所以在滿足一定的失水率的情況下，聚乙烯醇加入量不易過大，否則會影響水凝膠的性能.

2.4 硼砂加入量影響因素實(shí)驗(yàn)

選取6%聚乙烯醇溶液50mL、2mL丙二醇、2mL甘油的條件下，研究硼砂加入量對相變潛熱和相變溫度的影響，結(jié)果見圖5.由圖可見，隨著硼砂加入量的增加，相變溫度變化不大.而相變潛熱總體為一個先升后降的趨勢，在硼砂溶液濃度為8%時最大[5-9].

2.5 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上單因素影響實(shí)驗(yàn)，設(shè)計正交實(shí)驗(yàn)，見表4.在保證聚乙烯醇水凝膠柔軟性的同時，優(yōu)化用量配比.結(jié)果見表5.

由表5可見，影響因素從主到次的順序?yàn)椋壕垡蚁┐?gt;丙二醇>甘油>硼砂.綜合以上所有實(shí)驗(yàn)，聚乙烯醇水凝膠相變材料最佳反應(yīng)條件為5%的聚乙烯醇溶液50mL、2mL丙二醇、2mL甘油、10%的硼砂溶液15mL.此條件合成的聚乙烯醇水凝膠，冷凍24小時后，柔軟度適中，相變材料相變潛熱為243.6J/g，相變溫度為-6.2℃.見圖6.

2.6 失水率的測定

失水率是考察蓄冷材料能否性能穩(wěn)定長期使用的重要指標(biāo)，本次實(shí)驗(yàn)選取的是正交試驗(yàn)最優(yōu)條件下的樣品100克，將其放入冰箱反復(fù)冷凍，融化后，置測其失水率.由表可見，聚乙烯醇水凝膠失水率非常低，重復(fù)5次后失水率仍在0.04%以內(nèi)，因此該蓄冷劑具有很好的穩(wěn)定性，能夠滿足長期使用的要求，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益.

3 結(jié)論

（1）在化學(xué)藥劑交聯(lián)制備聚乙烯醇水凝膠備過程中加入甘油，可以使制備的水凝膠在-15℃以下低溫環(huán)境中，冷凍24小時后仍然柔軟.甘油的加入量宜在1～3ml之間.

（2）柔性聚乙烯醇水凝膠的最佳合成條件為5%的聚乙烯醇溶液50mL、2mL丙二醇、2mL甘油、10%的硼砂溶液15mL.此條件下合成的聚乙烯醇水凝膠，冷凍后，不但柔軟度適中，相變潛熱為243.6J/g，與目前市場上的聚乙烯醇水凝膠（相變潛熱為242.1J/g左右），在保證提高其柔軟度性能基礎(chǔ)上，作為蓄冷劑材料的重要指標(biāo)相變潛熱并沒有降低.它可以提高人體穿著時的舒適性，更適合應(yīng)用于冷卻服中.

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