電力作業服裝用的相變材料制備及性能研究

高永強，左新斌，柴立華，王文成，鄭 昱，蘇梓銘

（1.國網山東省電力公司東營供電公司，東營 257000；2.國網山東省電力公司，青島 250000；3.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074）

在戶外作業過程中往往需要考慮到溫度的影響如果溫度過高，則要求采用可靠的防護措施進行處理，降低高溫對作業的不利影響。其中，氣流（V）、氣溫（Ta）等諸多因素都會影響到對于高溫的界定。通常情況下，Ta 高于32℃時即認為是高溫，或者是Ta高于30℃、相對濕度（RH）高于80%也屬于高溫。在此環境下的戶外作業都被認為是高溫作業的范疇。如果電力工人長期處于這種環境，不僅會導致機體調節的機能發生變化，甚至會出現中暑等癥狀，嚴重時可能引發相關的疾病，導致安全事故的發生。所以在電力野外高溫作業過程中需要采用可靠的降溫措施，避免長期處于高溫環境下影響到工人的健康，同時也能夠保證工作的效率和質量。目前，在電力高溫作業服裝方面，形成了較多研究成果，其中一種是穿戴成熟的調溫服裝，此類服裝可以結合外部溫度變化來自動調整服裝內的溫度，一般利用特殊的相變材料制作而成，由此能夠起到降溫的效果，此類型的服裝逐步應用到了航空航天等領域中。本文主要設計了一種電力相變服裝，使其能夠有效地應用到電力高溫作業環境中，提升對于工作人員的保護作用，同時保證工作的質量。

1 材料與方法

1.1 PCM相變材料選擇

1.1.1 相變材料溫度試驗方案

要制備電力作業用的相變服裝，首先分析PCM的相變溫度能否達到使用的要求，即需先確定是否能夠達到高溫防護服的性能需求。對此，為解決該問題，首先對電力作業服裝的溫度需求進行分析。

由于高溫防護服主要用于戶外作業人員身上，需根據人體的熱舒適性進行針對性的設計。所以采用試驗的方式對材料帶來的熱舒適性進行分析。室內平均濕度和溫度一般在37.4RH%和11.3℃，而結合高溫作業工人的穿著習慣，在日常作業過程中一般穿著棉外套、T恤以及高溫防護服等。由此，測試對象選擇普通身材的作業人員，其體重、身高分別是65kg、175cm，在身體前、后各設置三個測試點，各個測試點的測試次數為1，具體位置如圖1所示。

圖1 人體溫度測試點示意圖Fig.1 Schematic diagram of human body temperature test points

讓測試對象保持靜坐20min，整個身體處于放松狀態，保持正常的熱生理特征。然后對各個層的溫度傳感器進行設置，在將高溫防護服穿好之后對各個層間的溫度變化進行測試，此過程中測試對象仍然保持靜坐，總計持續10min。

1.1.2 確定相變溫度

在確定相變溫度時，需對實驗數據進行處理，即先計算各層數據的平均值，然后對各層的10 個數據計算平均結果。由此得到對應的服裝層間溫度分布數據，具體如下圖2所示。

圖2 服裝層間溫度分布特征圖Fig.2 Temperature distribution between layers of clothing

根據圖中信息可知，人體表面到外部環境的溫度分別是34.0℃、31.6℃、24.2℃、14.9℃。在不同的季節高溫防護服的穿著部位是不同的，其中在夏季主要是在T恤的外層部位，而對于其他的季節則主要是在熱防護服、外套之間的位置。因此比較合適的相變溫度范圍是15-32℃，由此可以滿足高溫防護的要求。

1.1.3 PCM材料選擇

根據以上結果看出，選擇最佳的材料應該是有機物石蠟烷烴類的PCM，這種材料可滿足固-液相變、儲熱容量較大、常溫相變溫度等。經過詳細對比和研究，最終確定采用偶數正構烷烴作為高溫防護服用PCM。因此，在本次實驗中采用了天津試劑研究所提供的PCM 材料，主要有正十六烷（AR）、正十八烷（AR）、正二十烷（AR）、正二十二烷（AR）。

1.2 試驗主要儀器

試驗儀器為：DHG-9241A 電熱恒溫鼓風干燥箱（上海圣欣儀器公司），工作溫度范圍0~300℃；EL204 分析天平（昆山順諾公司），精度可達0.01g，測量范圍是0~600g。

1.3 相變材料制備過程

在研究過程中，將1.1.3選擇的PCM材料根據合適比例混合，以此形成復合PCM。這種方式可彌補單一PCM的不足，確保相變溫度滿足使用要求。在本文中主要根據理想溶液模型進行設計，具體的過程如下：

1.3.1 復合PCM的制備

先對理論摩爾分數之比進行計算，具體使用施羅德公式得到制備復合PCM 樣品所需的準確數據；然后對對樣品進行DSC測試，獲得對應的熱焓值、相變溫度信息；基于以上數據，分析最佳復合PCM 的配比參數，以保證達到要求的相變溫度，同時熱焓值達到較高的要求。

1）復合PCM 的理論配比：在本次研究中，利用MATLAB軟件繪制最低共熔點圖。具體結合施羅德公式將兩種PCM 的參數輸入軟件中，然后繪制達到二者最低共熔點的圖，即為圖3 中所示。根據圖3 可知，如果A、B 復合配比是MA：MB=0.89：0.11，可達到最低共熔點276.5K（3.35℃）。按照相同的方式可以將正二十二烷、正二十烷等兩兩復合，具體配比信息如表1中所示。

圖3 2種材料的低共熔點圖Fig.3 Low eutectic point diagram of two materials

表1 復合PCM的理論配比信息表Tab.1 Theoretical proportioning information of composite PCM

2）復合PCM的制備：復合PCM的制備需要滿足一定的環境條件。本次制備主要在實驗室中完成，設定平均濕度和溫度分別是53.4%、18.4℃。具體步驟為：首先對試管進行干燥，編號為1#~6#，然后置于試管架上；設置恒溫干燥箱溫度為60℃，備好其他的材料和儀器，檢測儀器的功能以及精度等是否達到要求。在上述準備工作完成后，根據表1的配比制備復合PCM。首先制備1#復合PCM（正十六烷、正十八烷），具體的制備過程為：分別稱取正十六烷、正十八烷4g、1.7g，然后添加到1#試管中進行封閉，然后置于恒溫箱內，調節溫度為60℃；在全部PCM 變為液體后，即說明二者已經混合均勻。此時取出試管置于冰箱內，溫度設置為-10℃；待PCM 變為固體后即得到復合PCM。按照上述方式可以完成對其他復合PCM樣品的制備。

2 結果與分析

2.1 復合PCM的實際最優配比

基于DSC 測試方法對復合PCM 的最優配比參數進行確定，由此可以獲得最優配比的復合PCM。各種復合PCM 的DSC 曲線如圖4 所示。根據圖4 可知，4#~6#存在兩個波峰，即在溫度增大的過程中，正十八烷、正二十烷，正二十二烷、正二十烷形成的復合PCM 存在兩次相變，而這與復合PCM 的最低共熔點特性并不相符。產生以上問題的主要原因，是因為參與復合配比的烷烴存在兩個大小不同的相變溫度點，從而分別對應復合PCM和烷烴本身的相變溫度。

圖4 6種復合PCM的DSC曲線Fig.4 DSC curves of six kinds of composite PCM

2.2 電力高溫防護服用復合PCM確定

為了保證PCM 有較好的熱防護作用，需要保證其吸熱，因此需要考慮到在PCM 升溫時的參數設置。根據圖4 的結果可知，1#~6#的相變溫度分別是19.29℃、 17.16℃、 16.80℃、 31.31℃、 28.96℃、38.06℃，即僅有4#、5#復合PCM 與高溫防護服用PCM 的需求相變溫度基本一致，而其他復合PCM 的相變溫度過高或者過低。進一步根據相變溫度范圍進行判斷，4#、5#復合PCM 的相變溫度范圍分別對應著17.56~34.37℃、13.09~32.12℃，因此選擇4#復合PCM 作為高溫防護服用PCM 是比較合適的，此時的摩爾分數比值是M（C18H38）：M（C20H42）=0.69：0.31。

3 結語

文章主要對電力作業服裝使用的相變材料制備進行研究，研究過程中確定了服裝中使用復合PCM 的相變溫度范圍，在此基礎上通過實驗方法確定了對應的烷烴類PCM，即在復合配比高溫防護服用的PCM樣品中主要采用正十八烷+正二十烷進行制備，可保證電力野外作業服裝達到應用的要求，從而為電力工人提供更為舒適的作業環境。