化学交联柔性聚乙烯醇型蓄冷剂的制备

冯立品 王明

摘要：针对目前聚乙烯醇水凝胶作为相变蓄冷剂应用于降温服中，存在冷冻后过硬的问题，本文在化学交联制备过程中加入甘油，制备出柔性聚乙烯醇水凝胶，并通过单因素影响实验及正交实验确定了最佳合成条件.结果表明最佳的条件为：5%的聚乙烯醇溶液，2mL丙二醇、2mL甘油、10%的硼砂溶液.在此条件下合成的聚乙烯醇水凝胶，相变位温度为-6.2℃，相变潜热高达243.6J/g，且在-15℃低温环境下冷冻24小时后，柔软度适中，更适合应用于降温服中.

关键词：聚乙烯醇水凝胶;化学交联;柔性;冷却服

中图分类号：O631.1  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）08-0020-03

热负荷是工作人员长时间在高温、高湿环境下的主要问题，如煤矿工人、建筑工人、消防人员、等，为了保护工作人员身体健康，研究人员开发了冷却服.目前市场上的冷却服，根据冷却介质的不同，可以分为空气冷却服、液体冷却服、相变冷却服.相变冷却服因其冷却效果好，不需要额外的制冷装置，越来越受到人们的关注.而在相变冷却服中相变材料是关键.采用化学交联法制备的聚乙烯醇水凝胶蓄冷剂，因其有着很好的生物相容性，低毒性，较高的机械强度和极好的吸水性（相变潜热大），并且属于固-固相变，相变前后形状固定，相变潜热大，易于封装，得到广泛关注.使用时最简单的方式就是，做成若干大小不一的形状，插入冷却服上面缝制的口袋中.但聚乙烯醇水凝胶实质上发生相变的还是水，在使用之前，需要在低温环境下蓄冷，但冷冻后过硬，不能贴合人体、这样既不能使使用者穿着舒适，又造成能量浪费[1-5].本文在交联过程中加入柔软剂甘油，制备出柔性聚乙烯醇水凝胶，使其在-15℃下冷冻24小时后仍然柔软.

1 实验方法

1.1 实验药品及仪器

1.2 技术路线

本实验采用化学试剂交联法，在以前实验的基础上，在加入降温助剂的同时加入甘油，具体技术路线如图1.

2 结果与讨论

2.1 聚乙烯醇水凝胶冷冻后的柔软度实验

基于本文的实验目的，先在以前实验的基础上，固定其它合成条件：50mL6%的聚乙烯醇溶液中加入2mL丙二醇和不同体积的甘油，充分搅拌后加入10%的硼砂溶液15mL，测试在冷冻不同时间后的柔软度.结果见表3.由实验结果可以看出在加入2mL以上甘油时，经24小时冷冻后，聚乙烯醇水凝胶柔软度有明显提升.

通过以上实验可知，要想保证聚乙烯醇水凝胶24小时冷冻后的柔软度，需要加入1mL以上的甘油.以下讨论在保证聚乙烯醇水凝胶柔软度的同时，研究聚乙烯醇溶液、丙二醇、硼砂等各单因素的加入量对相变潜热和相变温度的实验，结合正交实验，找到最佳制备条件.

2.2 丙二醇加入量影响因素实验

选取6%聚乙烯醇溶液50mL、2mL甘油、10%硼砂溶液15mL固定条件下，研究丙二醇的加入量对聚乙烯醇水凝胶相变温度及相变潜热的影響，见图2.从图可见，因为丙二醇为降温助剂，随着丙二醇量的增加相变潜热和相变温度都逐渐降低.要想获得高相变潜热水凝胶，丙二醇的加入量不易过多.

2.3 甘油加入量影响因素实验

选取6%聚乙烯醇溶液50mL、2mL丙二醇、10%硼砂溶液15mL条件下，改变甘油用量，实验结果见图3.由图可见，随着甘油量的增加相变潜热和相变温度都逐渐降低，并且在加入量超过3mL时相变潜热急剧下降，严重影响蓄冷剂的性能，所以满足柔软度的情况下甘油不易超过3mL，结合以上实验，甘油的选用量宜在1～3ml之间.

2.3 聚乙烯醇加入量影响因素实验

在选取2mL丙二醇、2mL甘油、10%硼砂溶液15mL的条件下进行，改变聚乙烯醇浓度，结果见图4.由图可见，随着聚乙烯醇浓度增加，在5%时出现拐点，相变潜热最大，然后随着聚乙烯醇浓度增加，相变潜热减小.相变温度逐渐降低，在浓度为7%时，有所回升.在聚乙烯醇水凝胶中，发生相变的是水，聚乙烯醇的作用时形成三位网状结构固定水分子.因此，随着聚乙烯醇加入量的增加，相应水的含量减少，相变潜热肯定会减少.所以在满足一定的失水率的情况下，聚乙烯醇加入量不易过大，否则会影响水凝胶的性能.

2.4 硼砂加入量影响因素实验

选取6%聚乙烯醇溶液50mL、2mL丙二醇、2mL甘油的条件下，研究硼砂加入量对相变潜热和相变温度的影响，结果见图5.由图可见，随着硼砂加入量的增加，相变温度变化不大.而相变潜热总体为一个先升后降的趋势，在硼砂溶液浓度为8%时最大[5-9].

2.5 正交实验

根据以上单因素影响实验，设计正交实验，见表4.在保证聚乙烯醇水凝胶柔软性的同时，优化用量配比.结果见表5.

由表5可见，影响因素从主到次的顺序为：聚乙烯醇>丙二醇>甘油>硼砂.综合以上所有实验，聚乙烯醇水凝胶相变材料最佳反应条件为5%的聚乙烯醇溶液50mL、2mL丙二醇、2mL甘油、10%的硼砂溶液15mL.此条件合成的聚乙烯醇水凝胶，冷冻24小时后，柔软度适中，相变材料相变潜热为243.6J/g，相变温度为-6.2℃.见图6.

2.6 失水率的测定

失水率是考察蓄冷材料能否性能稳定长期使用的重要指标，本次实验选取的是正交试验最优条件下的样品100克，将其放入冰箱反复冷冻，融化后，置测其失水率.由表可见，聚乙烯醇水凝胶失水率非常低，重复5次后失水率仍在0.04%以内，因此该蓄冷剂具有很好的稳定性，能够满足长期使用的要求，具有很高的经济效益.

3 结论

（1）在化学药剂交联制备聚乙烯醇水凝胶备过程中加入甘油，可以使制备的水凝胶在-15℃以下低温环境中，冷冻24小时后仍然柔软.甘油的加入量宜在1～3ml之间.

（2）柔性聚乙烯醇水凝胶的最佳合成条件为5%的聚乙烯醇溶液50mL、2mL丙二醇、2mL甘油、10%的硼砂溶液15mL.此条件下合成的聚乙烯醇水凝胶，冷冻后，不但柔软度适中，相变潜热为243.6J/g，与目前市场上的聚乙烯醇水凝胶（相变潜热为242.1J/g左右），在保证提高其柔软度性能基础上，作为蓄冷剂材料的重要指标相变潜热并没有降低.它可以提高人体穿着时的舒适性，更适合应用于冷却服中.

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