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可用于冷鏈物流相變材料的研究進展

來源:期刊VIP網所屬分類:交通運輸時間:瀏覽:

  摘要:簡述了相變材料(PCM)的分類和特點。根據冷鏈物流對溫度的不同要求,將可用于冷鏈物流相變材料分為冷藏用和冷凍用相變材料兩大類。針對固一液相變材料在液態時易發生泄漏的問題,介紹了相變材料微膠囊、泡沫金屬和高吸水性樹脂(SAP)等相變材料載體的研究現狀。分別闡述并分析了無機相變材料、有機相變材料和無機一有機相變材料的特點及其研究進展,針對不同相變材料存在的相分離、過冷、腐蝕和導熱系數小等問題,介紹了相應的解決方案。最后,指出了相變材料在冷鏈物流領域應用中仍然存在的一些問題,展望了冷鏈物流用相變材料的發展方向。

  關鍵詞:冷鏈物流;冷藏;相變材料;研究進展

商品儲運與養護

  《商品儲運與養護》是中國創辦最早,最富盛名的物流科技期刊,原國內貿易部優秀科技期刊獎,就經濟管理、交通運輸、機械工程、發展戰略、物流政策、商務電子、包裝保養、衛生安全、思想教育、教學研究等領域最新科技成果及熱點問題進行探討。

  隨著我國經濟的持續發展,食品生產量和消費量都顯著增加。目前我國蔬菜產品、水果肉類產品、禽蛋和水產品產量分別占各自產品全球總產量的60%、30%、40%,每年約有4億t農產品進入流通領域。據統計,這些產品中易腐食品占50%以上,但是超過80%的水產品和90%的肉類,還有大部分乳制品在運輸過程中仍缺乏低溫監控,造成了巨大的損失。因此,加速我國冷藏運輸設備技術的研發,對于推動我國冷鏈物流的發展及保障食品的質量與安全具有重要意義。

  相變材料在凝固過程中可以將熱量以潛熱的形式貯存起來,并在需要時釋放,從而達到儲能的目的,因此該材料可以應用到需要儲存能量、交換熱量和控制溫度的領域。而且,在相變過程中相變材料溫度保持不變,從而能夠將周圍環境的溫度波動控制在很小的范圍內,這為溫度敏感型食品、藥品的冷藏和運輸提供了很好的解決方案。目前相變材料已經在冷鏈物流領域得到了廣泛應用。

  1相變材料的分類

  1.1按照相變溫度的范圍分類

  根據相變溫度的范圍,相變材料可以分為高溫(>250℃)相變材料、中溫(100~250℃)相變材料和低溫(<100℃)相變材料。高溫相變材料主要是熔融鹽、金屬合金;中溫相變材料主要是有機物和高分子材料;低溫相變材料主要是冰、水合鹽和有機物。

  1.2按照相變材料的組成分類

  按照相變材料的組成可以將相變材料分為無機相變材料、有機相變材料和無機一有機相變材料三類。無機相變材料又可以分為化合物材料和共晶體材料。共晶體材料通常有兩種或者兩種以上組分,在結晶和融化過程中會保持一定的溫度,而且不會產生相分離;其組分主要包括鹽類、結晶水合鹽、水溶液和水。有機相變材料主要是石蠟、有機酸、酯、多元醇等有機物。大量實驗結果表明,有機相變材料在結晶過程中幾乎不存在過冷度,而且通常沒有腐蝕性,非常穩定。無機一有機相變材料主要是由有機和無機相變材料復合而成的混合物。

  1.3按照相變過程的相態分類

  根據相變過程的相態變化,相變材料可以分為固一固相變材料、固—氣相變材料、液—氣相變材料、固一液相變材料。固一固相變材料在相變過程中沒有相態的轉變,只有晶型的變化,在晶型變化過程中吸收和放出熱量。固一固相變材料主要有高密度聚乙烯、多元醇和具有“層狀鈣鈦礦”晶體結構的金屬有機化合物。固一氣相變材料、液—氣相變材料因為在相變過程中伴隨著大量的氣體生成,體積劇烈膨脹,難以封裝,因此盡管它們的相變潛熱很大,但在工程應用中很少涉及。固一液相變材料由固態轉變到液態或由液態轉變到固態的過程中,伴隨熱量的吸收和釋放。固一液相變材料主要包括冰、石蠟、水合鹽等。由于固一液相變材料具有相變潛熱高、儲冷密度大、原料廉價、制備簡單等優點,因此被廣泛應用于冷鏈物流領域。

  1.4可用于冷鏈物流相變材料的分類

  在冷鏈物流中,物品的貯存方式通常分為冷藏保鮮和冷凍貯存。這兩種貯存方式對溫度的要求有很大區別。果蔬、疫苗和藥品等多采用冷藏保鮮的方式,溫度通常為2~8℃;肉類、面食等多采用冷凍貯存,溫度通常低于18℃。因此,冷鏈物流相變材料也可劃分為冷藏用相變材料和冷凍用相變材料。

  2固一液相變材料的載體

  當固一液相變材料由固態向液態轉變時,液態的相變材料經常發生遷移、泄漏等問題,從而無法進行多次循環應用。另外,在轉變過程中,由于晶體不斷在熱邊界凝結,晶體厚度不斷增加,這會嚴重阻礙換熱。為了解決這些問題,通常要將相變材料制備成微細液滴封裝成微膠囊,或者利用中空多孔的固體載體,將相變材料通過物理吸附或化學吸附等方法吸附在多孔顆粒中,再進行封裝,制備成復合相變材料。

  相變材料微膠囊由內核和外殼兩部分組成,粒徑可以在0.1~1mm之間,外殼的壁厚為0.01~10um,外形多樣,但多為球形。目前,可作為微膠囊內核的固一液相變材料有結晶水合鹽、共晶水合鹽、直鏈烷烴、石蠟類、脂肪酸類、聚乙二醇等,其中結晶水合鹽和石蠟類較為常用。外殼材料雖然也可以采用無機材料,如硅酸鈣、金屬等,但常用的是高分子材料,如脲醛樹脂、密胺樹脂、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯和芳香族聚酰胺等。有時為了提高囊壁的密閉性或熱、濕穩定性,還將幾種材料聯合使用。

  多孔材料主要包括高吸水性樹脂、泡沫金屬、膨脹珍珠巖、膨脹石墨、硅藻土等。另外,層狀結構的蒙脫土也常用作固一液相變材料的載體。其中,高吸水性樹脂和泡沫銅在冷鏈物流領域應用比較廣泛。

  高吸水性樹脂(super absorbent polymer,SAP)是一種含有強的親水性基團且具有一定交聯度的功能高分子,因而其既不溶于水,也難溶于有機溶劑,具有吸收自身重量幾百倍乃至上千倍水的能力,且吸水速度快,保水性能好,即使加壓也難以把水分離出來,被譽為“超強吸水劑”。但SAP的吸水性能并不是一成不變的,容易受到溶液離子濃度的影響;溶液的離子濃度越大,其吸水性能越差。另外,相變材料被吸附在SAP中之后,其內部的換熱方式也會發生改變,因此相變材料的凍融過程也會發生改變,并對相變材料的相變溫度、相變潛熱和導熱系數等熱力學性質產生一定影響。因此,在實際應用中,需要對SAP的性能進行測試。

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