甘露醇复合相变蓄冷材料的制备及性能研究
文献综述与研究背景
本文发表于《冷藏技术》(Journal of Refrigeration Technology) 2024年第47卷第1期，由董月霞、何少勇、刘笛、盛金飞、李晓凤、孙志利、刘娥玉、金蕊、王允直、刘浩威、李蕾、胡佳乐等学者合作完成。研究涉及低温复合相变蓄冷材料的制备及其性能测试，目的是为了满足南美白对虾（Penaeus vannamei）的微冻贮藏保鲜温度要求。通过选择甘露醇水溶液为主储能剂，氯化钾水溶液为降温剂，以及高吸水树脂作为增稠剂，制备并测试了复合相变蓄冷材料的相变温度、相变潜热、导热性能、腐蚀性以及热循环稳定性等关键物理化学性质，最终确定了最优配比。
本研究背景属于相变储能技术领域，相变储能技术被认为是一种高效、环保且无污染的能源利用方式，广泛应用于建筑节能、冰箱、空调系统等多个领域。通过改良传统蓄冷材料，特别是在低温保鲜应用中，能有效提高能量的存储与传输效率，降低能源消耗，同时确保食品冷链储运过程中的品质保障。
研究目的与方法
本研究的主要目的是开发一种新型的低温复合相变蓄冷材料，能够满足微冻保鲜温度要求，特别是在食品冷链中起到关键作用。研究的创新点在于使用甘露醇（mannitol）作为主储能剂，并配合氯化钾（KCl）与高吸水树脂，制备低温复合相变蓄冷材料。这些材料在相变过程中的潜热较大、温度稳定性高，能够有效提高微冻贮藏食品的保鲜效果。
研究的具体步骤分为几大部分，包括实验材料与仪器的准备、相变材料的制备、性能测试以及数据分析等，涵盖了步冷测试、差示扫描量热仪（DSC）测试、导热系数测试、腐蚀性实验以及稳定性循环实验等。
实验流程与研究对象
实验材料与设备准备
实验所用的主要材料包括甘露醇、氯化钾、高吸水树脂等，所有实验材料均为分析纯级别，水使用蒸馏水。主要实验仪器包括数显恒温磁力搅拌器、低温恒温槽、热常数分析仪、电子天平、数据采集仪等。
相变材料制备
在实验中，研究者首先根据不同质量比例调配甘露醇水溶液，配比从1%到4%不等。使用磁力搅拌器加热至50℃，搅拌40分钟直至甘露醇完全溶解。接着，制备氯化钾溶液，并将两者混合，最终在其中加入增稠剂高吸水树脂。通过调节树脂的质量分数，最终确定了最佳配比为3%甘露醇水溶液、2%氯化钾水溶液与1.8%高吸水树脂的复合相变蓄冷材料。
步冷测试
步冷实验旨在确定材料的相变温度和过冷度。实验中，测试人员将配置好的溶液装入塑料瓶中，插入热电偶进行温度监测，并将样品放入低温恒温槽中，设定温度为-20℃。通过分析降温和升温过程中的温度变化，确定相变平台及过冷度。
差示扫描量热（DSC）测试
DSC测试用于测试材料的相变潜热和onset温度。研究人员分别测试了不同浓度甘露醇水溶液、不同氯化钾溶液含量以及最终复合材料的潜热和相变温度，并通过数据分析计算出相应的物理参数。
导热系数与腐蚀性测试
导热性能测试主要用于评估材料的热传导效率。实验表明，添加高吸水树脂的复合溶液导热系数明显提高，达到5.065 W/(m·K)。腐蚀性实验则通过将铜、铝、钢和铁等金属片浸泡在相变材料中168小时，计算出腐蚀速率，结果显示复合材料对铜片和铝片几乎没有腐蚀。
稳定性循环实验
稳定性实验模拟了材料在多次冻融过程中可能出现的相分离现象。实验中，复合材料在-20℃和20℃之间反复循环50次，最终测试表明复合材料的相变潜热和onset温度几乎没有变化，证明了其良好的热循环稳定性。
主要实验结果与分析
甘露醇溶液的性能分析
通过步冷实验和DSC测试，研究人员发现，3%甘露醇水溶液具有较高的相变潜热（311 J/g）和较低的onset温度（-2.55℃），符合低温微冻贮藏的要求。相较于1%甘露醇溶液，3%的甘露醇溶液的相变潜热更高，且无过冷度现象。
氯化钾的影响
在不同氯化钾含量下，复合材料的相变温度和潜热发生了显著变化。研究表明，氯化钾的添加能够有效调节复合材料的onset温度。当氯化钾含量为2%时，复合材料的相变温度为-4.56℃，相变潜热为292.3 J/g，符合要求。
高吸水树脂的影响
高吸水树脂作为增稠剂的加入不仅有效减小了复合材料的流动性，避免了相分离，还大幅提升了材料的导热性能。在添加1.8%高吸水树脂后，复合材料的导热系数从0.8139 W/(m·K)增加到5.065 W/(m·K)，为其提供了更高的热传导效率。
腐蚀性与稳定性分析
复合相变蓄冷材料对金属的腐蚀性测试表明，铜片和铝片几乎没有受到腐蚀，而钢和铁则表现出轻微的腐蚀。稳定性循环实验的结果表明，复合材料在经过50次冻融循环后，仍保持了较好的热稳定性和结构稳定性。
结论与应用价值
本研究成功制备了一种复合相变蓄冷材料，能够满足南美白对虾微冻贮藏的保鲜温度要求。研究的最大创新点在于通过复合甘露醇、氯化钾和高吸水树脂，不仅提升了相变材料的相变潜热和导热性能，还提高了材料的循环稳定性与抗腐蚀性。该材料具有良好的低温储能特性，能够有效提高冷链储运过程中热能的利用效率，并且对微冻贮藏具有显著的应用价值，特别适用于食品冷链中的低温保鲜。
综上所述，本文研究不仅为低温相变蓄冷材料的应用提供了新的思路和方法，还为未来类似材料的开发与应用提供了重要的理论和实验基础。这项技术在食品保鲜、冷链物流等领域具有广泛的应用前景，尤其是对保持食品的新鲜度和减少能源消耗方面具有重要意义。