交联聚丙烯酰胺蓄冷剂的研制

朱传勇 黄恒钧 原小寓 林鹏 浦丽莉 肖雪 刘丽丽 栾敏杰

摘要：以自制的部分交联聚丙烯酰胺为主要原料，加入羧甲基纤维素、甘油等助剂配制成水凝胶，成型装袋成为蓄冷产品，对蓄冷产品进行性能测试，结果表明制得的产品具有良好的蓄冷性能。

关键词：交联聚丙烯酰胺 蓄冷剂 相变温度 蓄冷效果

相变储能材料是近段时间国内外能源利用和材料科学方面研究的热点。相变储能材料是指在其物相变化过程中，可以从环境吸收热量或向环境放出热量，从而达到能量的储存和释放目的材料，以解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。利用此特性，相变储能材料在太阳能利用、废热和余热的回收利用、节能建筑材料、空调的节能以及食品保鲜等领域拥有广泛的应用前景[1]。

高分子相变蓄冷剂是一种新发展起来的相变蓄能材料，蓄冷量大、产品无毒无臭、无腐蚀性、成本低、制作简单、因而得到人们的广泛关注，开发高分子蓄冷剂是蓄冷行业中研究的热点[2]。

聚丙烯酰胺（PAM）是一种水溶性高分子，具有高吸水性，是水溶性高分子化合物中应用最为广泛的品种之一[3]。以部分交联的聚丙烯酰胺或其接枝聚合物为主要成分的有弹性的凝胶状材料，是一种高性能蓄冷材料，冷冻后可以缓慢释放能量，如果将其与隔热箱一起使用，可以取到良好的低温储藏效果。

1 实验部分

1.1 主要原料 部分交联聚丙烯酰胺，自制；甘油，哈尔滨医药化工试剂厂；羧甲基纤维素，石家庄森隆化工有限公司；雪糕（65g/支），哈尔滨华义食品有限公司。

1.2 设备 6511精密电动搅拌器，苏州威尔实验用品有限公司；DK-98-1型电子恒温水浴锅，苏州威尔实验用品有限公司；XWCJ-301 大型长图自动平衡记录仪，上海雨嘉科技有限公司；K型热电偶，江苏中能仪表科技有限公司；1L保溫瓶，汕头市万茂塑胶制品有限公司。

1.3 交联聚丙烯酰胺蓄冷剂的制备 ①将一定量的羧甲基纤维素与甘油共混，然后将混合物倒入水中，搅拌至完全溶解；②取适量自制的部分交联聚丙烯酰胺倒入上述溶液中，升温搅拌，至交联聚丙烯酰胺完全吸水；③将完全吸水的交联聚丙烯酰胺产品倒入模具中缓慢冷却至室温，生成凝胶，将凝胶产品切割装袋即成蓄冷剂产品。

1.4 蓄冷剂的相变温度的测定 测量相变温度、相变潜热及比热的方法主要有一般卡计法、差热分析法、差示扫描量热计法。本文采用了一种简便的用于工程测温法[4]，设备装置简图如图1所示。该方法的原理是采用冷却的方法测定蓄冷材料的相变凝固温度。将热电偶插入相变蓄冷球内，并将蓄冷球放入恒温冷却环境，由平衡记录仪记录热电偶由于相变材料温度变化而引起的热电势变化，然后由热电势转换成温度，得出蓄冷材料的温度变化曲线。

1.5 交联聚丙烯酰胺蓄冷性能检测

雪糕是深受广大消费者喜爱的冷冻食品，其品质容易受温度波动所影响。雪糕若温度升高融化后，则气泡逸出；即使温度并没有升高至雪糕融化就再降温使之变硬，这种过程反复进行的话，冰晶就会变大，使原来滑溜的舌触感觉变得粗糙而丧失商品价值。

本文以雪糕冷藏为目标，比较了交联聚丙烯酰胺蓄冷剂和冰作为蓄冷材料对雪糕冷藏的效果。采用了市售1L保温瓶，放置在室温为25℃的房间中。分别使用等质量的交联聚丙烯酰胺蓄冷剂、冰作为蓄冷材料盛装于蓄冷剂塑料袋内密封，将蓄冷剂和冰冻结。将冻结的蓄冷剂和冰分别放置在保温瓶盖内侧与被保冷雪糕之间的缝隙内，对雪糕进行保冷贮藏，每隔30min测量距离保温瓶顶部8cm处温度，对交联聚丙烯酰胺蓄冷剂和冰的蓄冷效果进行比较。

2 结果与讨论

2.1 交联聚丙烯酰胺相变温度测定结果

图2为蓄冷球内交联聚丙烯酰胺蓄冷材料的冷却凝固曲线。

从该图中可以看出，该交联聚丙烯酰胺相变蓄冷材料有一定的过冷度，约为2.1℃；相变材料的凝固曲线有一个平台，即有一定的相变温度，约为0℃。

在凝固过程中，温度下降速度的变化趋势为先快后慢，原因在于：随凝固过程的推进，固相区厚度逐渐增加，传热热阻增加；蓄冷球温度下降，与冷媒温度差逐渐减小，传热推动力减小，传热速度随之下降。

2.2 交联聚丙烯酰胺蓄冷性能检测结果

图3是以交联聚丙烯酰胺和作为蓄冷材料储存冰糕蓄冷效果对比。

■

图3 交联聚丙烯酰胺与冰蓄冷效果对比图

从采用交联聚丙烯酰胺蓄冷剂及冰的保温瓶内被保冷物品——雪糕的平均温度变化对比曲线可以看出：在保温瓶内温度、保温瓶外侧温度、被保冷物品及其预冷温度、蓄冷剂质量、放置方式等实验条件完全相同的情况下，本实验提供的交联聚丙烯酰胺蓄冷剂、冰在被保冷物品平均温度为10℃以下的有效蓄冷时间分别为32.6小时、8.2小时。由此可见：本实验提供的蓄冷剂具有比冰更好的保冷效果。

3 结论

本文以自制的部分交联聚丙烯酰胺为主要原料，以甘油羧甲基纤维素等为助剂，制备了交联聚丙烯酰胺蓄冷剂，以雪糕为储存目标，比较了交联聚丙烯酰胺蓄冷剂与冰的蓄冷效果，本文提供的交联聚丙烯酰胺蓄冷剂在被保冷物品雪糕平均温度为10℃以下的有效蓄冷时间为32.6小时。从实验结果可知本文研究的交联聚丙烯酰胺蓄冷剂在一个相对封闭的环境中显示出较好的温

度调控性能，可以在一定时段内维持食品所需的温度环境。

参考文献：

[1]钟学明，肖金辉，姜亚龙.相变贮热材料及其在太空中的应用[J].江西科学，2004，5（22）：399-402.

[2]郭静，李楠.高分子基相变储能材料的研究进展[J].合成纤维，2008，37（5）：27-31.

[3]张婷，刘学之，刘德辉，等.室温交联聚丙烯酰胺的合成研究[J].沈阳化工学院学报，2006，（3）：161-164.

[4]方贵银.蓄冷材料相变温度与相变潜热实验研究[J].建筑热能通风空调，2001，20（3）：1-3.

基金项目：

黑龙江省教育厅科学技术研究项目，编号：11551389