电力作业服装用的相变材料制备及性能研究

高永强，左新斌，柴立华，王文成，郑 昱，苏梓铭

（1.国网山东省电力公司东营供电公司，东营 257000；2.国网山东省电力公司，青岛 250000；3.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074）

在户外作业过程中往往需要考虑到温度的影响如果温度过高，则要求采用可靠的防护措施进行处理，降低高温对作业的不利影响。其中，气流（V）、气温（Ta）等诸多因素都会影响到对于高温的界定。通常情况下，Ta 高于32℃时即认为是高温，或者是Ta高于30℃、相对湿度（RH）高于80%也属于高温。在此环境下的户外作业都被认为是高温作业的范畴。如果电力工人长期处于这种环境，不仅会导致机体调节的机能发生变化，甚至会出现中暑等症状，严重时可能引发相关的疾病，导致安全事故的发生。所以在电力野外高温作业过程中需要采用可靠的降温措施，避免长期处于高温环境下影响到工人的健康，同时也能够保证工作的效率和质量。目前，在电力高温作业服装方面，形成了较多研究成果，其中一种是穿戴成熟的调温服装，此类服装可以结合外部温度变化来自动调整服装内的温度，一般利用特殊的相变材料制作而成，由此能够起到降温的效果，此类型的服装逐步应用到了航空航天等领域中。本文主要设计了一种电力相变服装，使其能够有效地应用到电力高温作业环境中，提升对于工作人员的保护作用，同时保证工作的质量。

1 材料与方法

1.1 PCM相变材料选择

1.1.1 相变材料温度试验方案

要制备电力作业用的相变服装，首先分析PCM的相变温度能否达到使用的要求，即需先确定是否能够达到高温防护服的性能需求。对此，为解决该问题，首先对电力作业服装的温度需求进行分析。

由于高温防护服主要用于户外作业人员身上，需根据人体的热舒适性进行针对性的设计。所以采用试验的方式对材料带来的热舒适性进行分析。室内平均湿度和温度一般在37.4RH%和11.3℃，而结合高温作业工人的穿着习惯，在日常作业过程中一般穿着棉外套、T恤以及高温防护服等。由此，测试对象选择普通身材的作业人员，其体重、身高分别是65kg、175cm，在身体前、后各设置三个测试点，各个测试点的测试次数为1，具体位置如图1所示。

图1 人体温度测试点示意图Fig.1 Schematic diagram of human body temperature test points

让测试对象保持静坐20min，整个身体处于放松状态，保持正常的热生理特征。然后对各个层的温度传感器进行设置，在将高温防护服穿好之后对各个层间的温度变化进行测试，此过程中测试对象仍然保持静坐，总计持续10min。

1.1.2 确定相变温度

在确定相变温度时，需对实验数据进行处理，即先计算各层数据的平均值，然后对各层的10 个数据计算平均结果。由此得到对应的服装层间温度分布数据，具体如下图2所示。

图2 服装层间温度分布特征图Fig.2 Temperature distribution between layers of clothing

根据图中信息可知，人体表面到外部环境的温度分别是34.0℃、31.6℃、24.2℃、14.9℃。在不同的季节高温防护服的穿着部位是不同的，其中在夏季主要是在T恤的外层部位，而对于其他的季节则主要是在热防护服、外套之间的位置。因此比较合适的相变温度范围是15-32℃，由此可以满足高温防护的要求。

1.1.3 PCM材料选择

根据以上结果看出，选择最佳的材料应该是有机物石蜡烷烃类的PCM，这种材料可满足固-液相变、储热容量较大、常温相变温度等。经过详细对比和研究，最终确定采用偶数正构烷烃作为高温防护服用PCM。因此，在本次实验中采用了天津试剂研究所提供的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 试验主要仪器

试验仪器为：DHG-9241A 电热恒温鼓风干燥箱（上海圣欣仪器公司），工作温度范围0~300℃；EL204 分析天平（昆山顺诺公司），精度可达0.01g，测量范围是0~600g。

1.3 相变材料制备过程

在研究过程中，将1.1.3选择的PCM材料根据合适比例混合，以此形成复合PCM。这种方式可弥补单一PCM的不足，确保相变温度满足使用要求。在本文中主要根据理想溶液模型进行设计，具体的过程如下：

1.3.1 复合PCM的制备

先对理论摩尔分数之比进行计算，具体使用施罗德公式得到制备复合PCM 样品所需的准确数据；然后对对样品进行DSC测试，获得对应的热焓值、相变温度信息；基于以上数据，分析最佳复合PCM 的配比参数，以保证达到要求的相变温度，同时热焓值达到较高的要求。

1）复合PCM 的理论配比：在本次研究中，利用MATLAB软件绘制最低共熔点图。具体结合施罗德公式将两种PCM 的参数输入软件中，然后绘制达到二者最低共熔点的图，即为图3 中所示。根据图3 可知，如果A、B 复合配比是MA：MB=0.89：0.11，可达到最低共熔点276.5K（3.35℃）。按照相同的方式可以将正二十二烷、正二十烷等两两复合，具体配比信息如表1中所示。

图3 2种材料的低共熔点图Fig.3 Low eutectic point diagram of two materials

表1 复合PCM的理论配比信息表Tab.1 Theoretical proportioning information of composite PCM

2）复合PCM的制备：复合PCM的制备需要满足一定的环境条件。本次制备主要在实验室中完成，设定平均湿度和温度分别是53.4%、18.4℃。具体步骤为：首先对试管进行干燥，编号为1#~6#，然后置于试管架上；设置恒温干燥箱温度为60℃，备好其他的材料和仪器，检测仪器的功能以及精度等是否达到要求。在上述准备工作完成后，根据表1的配比制备复合PCM。首先制备1#复合PCM（正十六烷、正十八烷），具体的制备过程为：分别称取正十六烷、正十八烷4g、1.7g，然后添加到1#试管中进行封闭，然后置于恒温箱内，调节温度为60℃；在全部PCM 变为液体后，即说明二者已经混合均匀。此时取出试管置于冰箱内，温度设置为-10℃；待PCM 变为固体后即得到复合PCM。按照上述方式可以完成对其他复合PCM样品的制备。

2 结果与分析

2.1 复合PCM的实际最优配比

基于DSC 测试方法对复合PCM 的最优配比参数进行确定，由此可以获得最优配比的复合PCM。各种复合PCM 的DSC 曲线如图4 所示。根据图4 可知，4#~6#存在两个波峰，即在温度增大的过程中，正十八烷、正二十烷，正二十二烷、正二十烷形成的复合PCM 存在两次相变，而这与复合PCM 的最低共熔点特性并不相符。产生以上问题的主要原因，是因为参与复合配比的烷烃存在两个大小不同的相变温度点，从而分别对应复合PCM和烷烃本身的相变温度。

图4 6种复合PCM的DSC曲线Fig.4 DSC curves of six kinds of composite PCM

2.2 电力高温防护服用复合PCM确定

为了保证PCM 有较好的热防护作用，需要保证其吸热，因此需要考虑到在PCM 升温时的参数设置。根据图4 的结果可知，1#~6#的相变温度分别是19.29℃、 17.16℃、 16.80℃、 31.31℃、 28.96℃、38.06℃，即仅有4#、5#复合PCM 与高温防护服用PCM 的需求相变温度基本一致，而其他复合PCM 的相变温度过高或者过低。进一步根据相变温度范围进行判断，4#、5#复合PCM 的相变温度范围分别对应着17.56~34.37℃、13.09~32.12℃，因此选择4#复合PCM 作为高温防护服用PCM 是比较合适的，此时的摩尔分数比值是M（C18H38）：M（C20H42）=0.69：0.31。

3 结语

文章主要对电力作业服装使用的相变材料制备进行研究，研究过程中确定了服装中使用复合PCM 的相变温度范围，在此基础上通过实验方法确定了对应的烷烃类PCM，即在复合配比高温防护服用的PCM样品中主要采用正十八烷+正二十烷进行制备，可保证电力野外作业服装达到应用的要求，从而为电力工人提供更为舒适的作业环境。