论文部分内容阅读
储热技术作为提高能源利用效率和保护环境的重要技术,在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热与余热的回收利用及工业和民用建筑采暖和空调的节能等领域具有广泛的应用前景。相变材料能在特定温度范围内伴随着相变过程吸收或放出大量的热量,成为最有效的储热材料之一,广泛应用于服装、建筑和电子等温度控制与热量贮存领域中。将微胶囊技术与相变材料结合得到的微胶囊相变材料能有效克服相变材料由于固液相变产生的液体流动或泄露等缺陷,拓宽了相变材料的应用领域。同时,世界发达国家已成功将微胶囊相变材料应用于航天、消防和防化等特殊职业所需的特种防护服中,目前国内仍处于空白。防化领域中,隔绝式防毒服作为最典型的皮肤防护器材,对人体生理产生显著影响。如何满足现代战争需求,避免体内热积累,改进隔绝式防毒服的传热传湿性能,提高皮肤防护器材的卫生性能,显著改善人体舒适度和防护服穿着生理时限是一项既具有理论意义,又具有实际应用价值的研究课题。
首先,本文采用RT31石蜡为芯材,脲醛树脂为壁材,利用原位聚合法制备微胶囊相变材料。固定芯壁比为2:1,分别采用乳化剂OP-10,十二烷基苯磺酸钠和由吐温-60与司盘-60组成的复合乳化剂制备了微胶囊,系统考察了乳化剂的种类及用量对微胶囊的微观形貌、平均粒径及分布和热性能的影响;同时还系统考察了不同乳化转速下制备的微胶囊平均粒径及分布和热性能;为了提高微胶囊的包封率获得更高的相变潜热,本文还重点分析了加入不同质量分数的氯化钠溶液对微胶囊的包封率的影响;另外,针对微胶囊的表观性能,本文分别采用不同量的阿拉伯树胶和亚甲基双萘磺酸钠(NNO)作为分散剂制备了微胶囊,考察了微胶囊的微观形貌和平均粒径及分布;同时,本文还讨论了制备过程中不同的预聚体滴加速度和酸化速度对微胶囊的微观形貌的影响;最后,本文还讨论了不同芯壁比对微胶囊包封率。实验结果表明:采用占芯材用量5%的由52%吐温-60与48%司盘-60组成的复合乳化剂,乳化转速为3000r/min时制备的微胶囊呈现粒径均一、表面光滑、密封良好的球状;相变温度为30.1℃,潜热达到最高为63.85J/g,平均粒径为9.32μm。当氯化钠溶液质量分数达到10%时,微胶囊的包封率由76.12%增加至92.04%,潜热提高至77.95 J/g。加入分散剂NNO制备所得的微胶囊较加入分散剂阿拉伯树胶的表观性能更为优越,其最佳用量为占芯材质量的2%;同时,预聚体适宜的滴加速度不应超过0.8mL/min,适宜的酸化时间为90~120min;最后,随着芯壁比的增加,芯材含量升高,包封率先增大后减小。
其次,本文采用石蜡为芯材,脲醛树脂为壁材,利用原位聚合法制备了微胶囊相变材料,通过丝网印刷技术涂布于棉布上,并利用锐孔法制备海藻酸钙包覆多个微胶囊相变材料的大胶囊。在微胶囊的制备中,考察了采用吐温-80和由吐温-80与司盘-80组成的复合乳化剂对微胶囊微观形貌和平均粒径的影响;针对微胶囊在服装领域中的应用,将微胶囊在人工汗液中浸渍不同时间,考察了微胶囊的热稳定性能,同时分析了网印粘合剂与微胶囊组成的复合材料涂布于棉布后的热性能。在大胶囊的制备过程中,以大胶囊的壳材性能为出发点,分别采用不同质量分数的海藻酸钠溶液和氯化钙溶液制备了大胶囊,重点考察其平均粒径;同时固定大胶囊的芯壁比为4:1,由不同质量分数的海藻酸钠溶液制备了大胶囊,分别经历30min的甲苯溶液的萃取,考察了甲苯溶液对大胶囊壳材的渗透能力。实验结果表明:采用占芯材质量8%的由53%吐温-80与47%司盘-80组成的复合乳化剂制备的微胶囊相交温度为34.1℃,相变潜热为143.8J/g,热稳定性良好,表面光滑,粒径均一;人工汗液在一定时间内对微胶囊相变温度和潜热影响不大;由微胶囊与网印粘合剂构成的复合材料涂布的棉布具有一定调温效果;海藻酸钠的质量分数为3%,氯化钙溶液质量分数为2%时,大胶囊壁材具有良好的机械性能;同时,随着海藻酸钠质量分数的增加,甲苯渗透大胶囊壳材的量逐渐减小。
最后,采用市售微胶囊相变材料研制了制冷背心样衣,与隔绝式防毒服配套使用,并委托中国人民解放军北京防化研究院生理评价试验中心对制冷背心进行生理评价试验。在室温36℃,相对湿度60%的条件下,测定穿着配有制冷背心的隔绝式防毒服与未配有制冷背心的隔绝式防毒服时的人体汗液蒸发量及人体胸温、手温、腿温、肛温和心率等参数随穿着时间的变化关系。同时,结合人体产热、散热经验式与伍德科克人体散热理论,建立了人体穿着配有制冷背心前后的隔绝式防毒服时的传热模型,探讨了人体在穿着隔绝式防毒服配有制冷背心前后平均体温随时间的变化关系,并对如何提高人体着装舒适度和延长隔绝式防毒服穿着生理时限进行综合分析。试验结果表明:两名受试者穿着配有制冷背心的隔绝式防毒服较穿着未配有制冷背心的隔绝式防毒服45分钟内,人体胸温下降2~3℃,背温下降1~2℃,手温下降0.5~1℃,腿温下降0.5~1℃,肛温下降0.3℃;一名受试者的心率出现不稳定状态;而另一名受试者的心率下降20~30次;穿着配有制冷背心的隔绝式防毒服时的人体排汗量较大,同时,汗液蒸发率加快。通过对人体穿着配有制冷背心前后的隔绝式防毒服时的传热模型进行积分求解,得到理论穿着配有制冷背心前后的隔绝式防毒服的人体平均体温随穿着时间的变化关系,并与制冷背心生理评价试验所测试得到的穿着配有制冷背心前后的隔绝式防毒服的人体平均体温随穿着时间的变化关系进行比较,发现人体平均体温随穿着时间的关系变化趋势一致。在一定劳动强度下,随着穿着隔绝式防毒服时间的延长,人体体内积累热量速率增加,造成体温上升速率加快。穿着配有制冷背心的隔绝式防毒服过程中,体温虽有上升,但其上升幅度较穿着未配有制冷背心的隔绝式防毒服时的小,在测试时段内,穿着配有制冷背心的隔绝式防毒服时的人体体温较穿着未配有制冷背心的隔绝式防毒服低1~2℃,说明制冷背心能有效减少穿着隔绝式防毒服时造成的人体大量热积累,同时有效延长隔绝式防毒服的穿着生理时限。