可用于冷链物流相变材料的研究进展
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文章编号：1008 − 8857(2019)01 − 0001 − 08DOI : 10.13259/j .cnki .eri .2019.01.001可用于冷链物流相变材料的研究进展王 忍，武卫东，吴 俊（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）摘 要：简述了相变材料（PCM ）的分类和特点。
根据冷链物流对温度的不同要求，将可用于冷链物流相变材料分为冷藏用和冷冻用相变材料两大类。
针对固−液相变材料在液态时易发生泄漏的问题，介绍了相变材料微胶囊、泡沫金属和高吸水性树脂（SAP ）等相变材料载体的研究现状。
分别阐述并分析了无机相变材料、有机相变材料和无机−有机相变材料的特点及其研究进展，针对不同相变材料存在的相分离、过冷、腐蚀和导热系数小等问题，介绍了相应的解决方案。
最后，指出了相变材料在冷链物流领域应用中仍然存在的一些问题，展望了冷链物流用相变材料的发展方向。
关键词：冷链物流；冷藏；相变材料；研究进展中图分类号：TP 392 文献标志码：AResearch development on phase change materialsfor cold chain logisticsWANG Ren ，WU Weidong ，WU Jun(School of Energy and Power Engineering , University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093, China )Abstract ：In this paper , classification and characteristics of the phase change materials (PCM ) were introduced briefly . According to the different required temperatures of cold chain logistics , PCM could be classified as cold storage PCM and freeze storage PCM . According to the leakage problem of solid -liquid material in the liquid state , the research status of supporter for phase change material like PCM microcapsule , metal foam , super absorbent polymer (SAP ) were introduced . And the characteristics and research progress of inorganic , organic , inorganic -organic PCM were elaborated and analyzed . Aiming at the problems such as phase separation , supercooling , corrosion and low heat conductivity , the corresponding solutions were introduced . In the end , the existing problems of the application of PCM to cold chain logistics were pointed out . The prospects of PCM for cold chain logistics were proposed .Keywords ：cold chain ; cold storage ; phase change material ; research development能源研究与信息第 35 卷 第 1 期Energy Research and Information Vol .35 No .1 2019收稿日期：2016 − 12 − 19第一作者：王 忍（1991—），男，硕士研究生。
研究方向：冷链物流用相变材料。
E -mail ：jwangren @qq .com随着我国经济的持续发展，食品生产量和消费量都显著增加。
目前我国蔬菜产品、水果肉类产品、禽蛋和水产品产量分别占各自产品全球总产量的60%、30%、40%，每年约有4亿t农产品进入流通领域［1］。
据统计［2］，这些产品中易腐食品占50%以上，但是超过80%的水产品和90%的肉类，还有大部分乳制品在运输过程中仍缺乏低温监控，造成了巨大的损失。
因此，加速我国冷藏运输设备技术的研发，对于推动我国冷链物流的发展及保障食品的质量与安全具有重要意义。
相变材料在凝固过程中可以将热量以潜热的形式贮存起来，并在需要时释放，从而达到储能的目的，因此该材料可以应用到需要储存能量、交换热量和控制温度的领域。
而且，在相变过程中相变材料温度保持不变，从而能够将周围环境的温度波动控制在很小的范围内，这为温度敏感型食品、药品的冷藏和运输提供了很好的解决方案。
目前相变材料已经在冷链物流领域得到了广泛应用。
1 相变材料的分类1.1 按照相变温度的范围分类根据相变温度的范围，相变材料可以分为高温（> 250 ℃）相变材料、中温（100～250 ℃）相变材料和低温（< 100 ℃）相变材料［3］。
高温相变材料主要是熔融盐、金属合金；中温相变材料主要是有机物和高分子材料；低温相变材料主要是冰、水合盐和有机物。
1.2 按照相变材料的组成分类按照相变材料的组成可以将相变材料分为无机相变材料、有机相变材料和无机−有机相变材料三类。
无机相变材料又可以分为化合物材料和共晶体材料。
共晶体材料通常有两种或者两种以上组分，在结晶和融化过程中会保持一定的温度，而且不会产生相分离；其组分主要包括盐类、结晶水合盐、水溶液和水。
有机相变材料主要是石蜡、有机酸、酯、多元醇等有机物。
大量实验结果表明，有机相变材料在结晶过程中几乎不存在过冷度，而且通常没有腐蚀性，非常稳定［4］。
无机−有机相变材料主要是由有机和无机相变材料复合而成的混合物［5］。
1.3 按照相变过程的相态分类根据相变过程的相态变化，相变材料可以分为固−固相变材料、固−气相变材料、液−气相变材料、固−液相变材料。
固−固相变材料在相变过程中没有相态的转变，只有晶型的变化，在晶型变化过程中吸收和放出热量。
固−固相变材料主要有高密度聚乙烯、多元醇和具有“层状钙钛矿”晶体结构的金属有机化合物。
固−气相变材料、液−气相变材料因为在相变过程中伴随着大量的气体生成，体积剧烈膨胀，难以封装，因此尽管它们的相变潜热很大，但在工程应用中很少涉及。
固−液相变材料由固态转变到液态或由液态转变到固态的过程中，伴随热量的吸收和释放［6］。
固−液相变材料主要包括冰、石蜡、水合盐等。
由于固−液相变材料具有相变潜热高、储冷密度大、原料廉价、制备简单等优点，因此被广泛应用于冷链物流领域。
1.4 可用于冷链物流相变材料的分类在冷链物流中，物品的贮存方式通常分为冷藏保鲜和冷冻贮存。
这两种贮存方式对温度的要求有很大区别。
果蔬、疫苗和药品等多采用冷藏保鲜的方式，温度通常为2～8 ℃；肉类、面食等多采用冷冻贮存，温度通常低于−18 ℃。
因此，冷链物流相变材料也可划分为冷藏用相变材料和冷冻用相变材料。
2 固−液相变材料的载体当固−液相变材料由固态向液态转变时，液态的相变材料经常发生迁移、泄漏等问题，从而无法进行多次循环应用。
另外，在转变过程中，由于晶体不断在热边界凝结，晶体厚度不断增加，这会严重阻碍换热。
为了解决这些问题，通常要将相变材料制备成微细液滴封装成微胶囊，或者利用中空多孔的固体载体，将相变材料通过物理吸附或化学吸附等方法吸附在多孔颗粒中，再进行封装，制备成复合相变材料。
相变材料微胶囊由内核和外壳两部分组成，粒径可以在0.1～1 mm之间，外壳的壁厚为2能源研究与信息2019 年 第 35 卷0.01～10 μm，外形多样，但多为球形［7］。
目前，可作为微胶囊内核的固−液相变材料有结晶水合盐、共晶水合盐、直链烷烃、石蜡类、脂肪酸类、聚乙二醇等，其中结晶水合盐和石蜡类较为常用。
外壳材料虽然也可以采用无机材料，如硅酸钙、金属等，但常用的是高分子材料，如脲醛树脂、密胺树脂、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯和芳香族聚酰胺等。
有时为了提高囊壁的密闭性或热、湿稳定性，还将几种材料联合使用［8］。
多孔材料主要包括高吸水性树脂、泡沫金属、膨胀珍珠岩、膨胀石墨、硅藻土等。
另外，层状结构的蒙脱土也常用作固−液相变材料的载体。
其中，高吸水性树脂和泡沫铜在冷链物流领域应用比较广泛。
高吸水性树脂（super absorbent polymer，SAP）是一种含有强的亲水性基团且具有一定交联度的功能高分子，因而其既不溶于水，也难溶于有机溶剂，具有吸收自身重量几百倍乃至上千倍水的能力，且吸水速度快，保水性能好，即使加压也难以把水分离出来，被誉为“超强吸水剂”［9］。
但SAP的吸水性能并不是一成不变的，容易受到溶液离子浓度的影响；溶液的离子浓度越大，其吸水性能越差。
另外，相变材料被吸附在SAP中之后，其内部的换热方式也会发生改变，因此相变材料的冻融过程也会发生改变，并对相变材料的相变温度、相变潜热和导热系数等热力学性质产生一定影响［10］。
因此，在实际应用中，需要对SAP的性能进行测试。
潘欣［11］采用质量分数为1.99%的NaCl水溶液作为−8～−2 ℃相变蓄冷材料的主储能剂、质量分数为9.91%的KCl水溶液作为−10 ℃相变蓄冷材料的主储能剂，研究了离子浓度对SAP 吸水能力的影响和SAP对蓄冷剂热力学性质的影响。
通过大量实验发现，该SAP的吸水能力随着离子浓度的增加迅速减小，SAP对质量分数为1.99%NaCl水溶液的吸液率为621.47 g·g−1，对质量分数为9.91%KCl水溶液的吸液率为63.83 g·g−1。
同时发现，该SAP对蓄冷剂的热力学性质影响很小。
高斯［12］选取聚乙烯醇和戊二醛在酸的作用下交联制作凝胶，研究了酸性对SAP脱水性的影响。
研究发现，随着反应环境的酸性逐渐增强，SAP脱水性会逐渐减弱。
SAP作为一种高分子材料，其可降解性直接关系到其回收成本和对环境的影响。
目前有学者已经开发出能够生物降解并且可以应用到冷链物流中的SAP。
柳建良［13］以L−天冬氨酸（LASP）为添加原料，采用过硫酸钾为引发剂，N′N−亚甲基双丙烯酰为交联剂，合成LASP/AA/AM高吸水性树脂，研究了其吸水性能、耐盐性能和生物降解性能。
