Inteligentne włókna i tkaniny regulujące temperaturę to produkty high-tech, które szybko rozwinęły się w latach 90. i są pełne witalności. Może nie tylko poprawić komfort noszenia, ale również ma wysoką wartość dodaną i może osiągnąć wysokie korzyści. Wraz z ciągłym wprowadzaniem wysokich i nowych technologii w tej dziedzinie, wymagania ludzi ' wobec wysokiej klasy odzieży i funkcjonalności wzrosły. Opracowanie nowego typu inteligentnej, regulującej temperaturę tkaniny włóknistej z przemianą fazową ma dobrą perspektywę rozwoju i szerokie perspektywy zastosowań.
Historia rozwoju inteligentnego włókna regulującego temperaturę zmiany fazy
Włókno zmiennofazowe jest rodzajem włókna funkcjonalnego do przechowywania ciepła i regulacji temperatury, opracowanego z wykorzystaniem właściwości uwalniania lub pochłaniania utajonego ciepła i utrzymywania stałej temperatury podczas zmiany fazy materiału.
Badania nad inteligentnym włóknem regulującym temperaturę z przemianą fazową rozpoczęły się w Stanach Zjednoczonych w latach 80. XX wieku. Pierwsze inteligentne włókno regulujące temperaturę na bazie włókna akrylowego Outlast, opracowane w ramach projektu badawczego National Aeronautics and Space Administration, uzyskano przez dodanie mikrokapsułek pokrytych parafinowym węglowodorem o przemianie fazowej do roztworu przędzalniczego włókna akrylowego. Kurtki opracowane w ramach miesięcznego planu na odzież astronautów i ochronę precyzyjnych przyrządów w eksperymentach kosmicznych zostały pomyślnie opracowane w 1988 r. i po raz pierwszy użyte do użytku komercyjnego w 1994 r. W 1997 r. Amerykańska Agencja Kosmiczna założyła firmę Gateway specjalizującą się w rozwój i badania inteligentnych włókien regulujących temperaturę. Włókno na bazie włókna akrylowego Outlast zostało zarejestrowane jako outlast, które zostało opracowane dla odzieży ogólnej i było sprzedawane na rynku amerykańskim i europejskim. Od tego czasu niemiecka firma Kelheim Fibre Company i Outlast Company współpracują w celu opracowania włókna wiskozowego Outlast. W rzeczywistości uzyskuje się go przez dodanie mikrokapsułek materiału przemiany fazowej do roztworu przędzalniczego włókna wiskozowego. Jego efekt izolacji cieplnej sięga 42,5% i został opatentowany. .
Obecnie materiały o przemianie fazowej są wykorzystywane do opracowywania i stosowania inteligentnych włókien kontrolujących temperaturę z przemianą fazową. Stany Zjednoczone i Szwajcaria są bardziej dojrzałe w innych krajach. Wytwarzane przez nich włókna kontrolujące temperaturę to głównie technologia przędzenia mikrokapsułek; Europa i Japonia również prowadzą badania w tej dziedzinie. . Niemcy jako pierwsze z powodzeniem opracowały materiały wykończeniowe do przechowywania mikrokapsułek z siarczanem sodu; później opracował tkaniny wypełnione rozpuszczalnikami i gazami obojętnymi w pustych włóknach. Reprezentatywną technologią Japonii' jest powłoka mikrokapsułek z zawiesiny opracowana przez Daiwa Chemical Industry.
Rodzaj regulacji temperatury tkaniny włóknistej
(1) Jednokierunkowe włókno regulujące temperaturę
Ten rodzaj światłowodu posiada pojedynczą funkcję regulacji temperatury, która może zwiększać lub obniżać temperaturę. Jednym z nich jest włókno grzejne EKS i Softwarm produkowane przez Japan Toyobo Co., Ltd.; drugi to włókno lniane i włókno jadeitu z funkcją chłodzenia. Ponieważ mają tylko jednokierunkowy efekt regulacji temperatury, włókna te mają oczywiste wady. Dlatego też, gdy kierunek zmian temperatury otoczenia jest przeciwny do kierunku regulacji temperatury, nie będzie działał dobrze, a nawet spowoduje niekorzystne konsekwencje.
(2) Dwukierunkowe włókno regulujące temperaturę
Materiały zmiennofazowe (materiały zmiennofazowe, określane jako PCM), które mogą niezależnie dostosowywać środowisko zimne i gorące, mają dwukierunkową regulację temperatury i funkcje adaptacyjne. Poprzez produkcję i przetwarzanie PCM są dodawane do matrycy włóknistej w określonej formie technologicznej. Po osiągnięciu zmiany fazy w temperaturze może aktywnie zapobiegać nadmiernym wahaniom temperatury w odzieży poprzez nieciągłe ogrzewanie. Energia procesu przemiany fazowej jest magazynowana w materiale przemiany fazowej w celu zwiększenia jego pojemności cieplnej; gdy temperatura otoczenia spadnie, inteligentnie uwalnia zmagazynowaną energię i może być wielokrotnie używana w środowisku oscylacji temperatury, dlatego nazywa się to"Inteligentna transformacja włókien termostatu (STFT)".
STFT' mechanizm zmiany fazy i zasada regulacji temperatury
STFT jest również nazywany włóknem klimatyzacyjnym. Mechanizm przemiany fazowej STFT odnosi się do faktu, że w pewnych warunkach, gdy temperatura pewnych substancji jest zasadniczo niezmieniona, a stan fazy zmienia się, utajone ciepło przemiany fazowej jest znacznie większe niż jawne ciepło przemiany fazowej. Inteligentne włókno dostosowujące temperaturę do zmiany fazy to nowy rodzaj włókna, który wykorzystuje zmianę fazy materiału do uwalniania lub pochłaniania utajonego ciepła, aby utrzymać stałą temperaturę. Zmiana fazy objawia się głównie jako przejście między cieczą a ciałem stałym lub zmiana fazy struktury kryształ-kryształ, kryształ-ciecz i agregacja molekularna w ciele stałym, a energia cieplna utrzymuje temperaturę.
(1) Mechanizm przejścia fazowego STFT
Różnica między inteligentną tkaniną z włókien regulujących temperaturę zmieniającą fazę a tradycyjną tkaniną z włókien polega na innym mechanizmie zachowania ciepła. Tradycyjna odzież termoizolacyjna wykorzystuje głównie metody termoizolacyjne, aby uniknąć nadmiernego obniżenia temperatury skóry, podczas gdy mechanizm termoizolacyjny włókien przemiany fazowej jest niewrażliwy na odkształcenia, wilgoć i ciśnienie powietrza, nie jest zbyt duszny ani ciężki. Może zapewnić organizmowi człowieka komfortowy mikroklimat. okolica. Powodem jest to, że PCM zapewniają regulację termiczną, a nie izolację termiczną. Realizacja tego mechanizmu zmiany fazy i mechanizmu regulacji temperatury polega na tym, że w środowisku termicznym, po osiągnięciu temperatury topnienia ośrodka zmiany fazy, kryształ ośrodka zmiany fazy zmienia się, a jego łańcuch molekularny pokonuje siły międzycząsteczkowe, odległość wzrasta, a kryształ Topienie, włókno pochłania ciepło; gdy włókno wchodzi do zimnego środowiska z gorącego środowiska, gdy temperatura jest niższa niż temperatura krystalizacji ośrodka o przemianie fazowej, łańcuchy molekularne w ośrodku o przemianie fazowej są regularnie ułożone, tworząc kryształy, a włókno uwalnia ciepło; magazynowanie energii przemiany fazowej W ten sposób włókno osiąga cel regulacji temperatury poprzez pochłanianie i uwalnianie ciepła.
(2) Zasada regulacji temperatury STFT
STFT pochodzi z mechanizmu zmiany fazy PCM w tkaninie włóknistej. Proces pochłaniania i uwalniania ciepła jest automatyczny, odwracalny i nieograniczony. Zaletami zasady regulacji temperatury są: kontrola temperatury w celu zrównoważenia temperatury i zapotrzebowania na ciepło w celu zapewnienia komfortu przez cały dzień; dobra odporność na temperaturę, zapewniają efekt chłodzenia; pochłaniają nadmiar ciepła ciała i uwalniają je, gdy temperatura powierzchni ciała spada, zapobiegając Powierzchnia ciała jest zbyt zimna.
Dlatego tekstylia włókniste zawierające PCM utrzymują stałą temperaturę ciała między ciałem ludzkim a środowiskiem zewnętrznym, niezależnie od tego, czy temperatura środowiska zewnętrznego wzrasta, czy spada, tworząc w ten sposób&„środowisko mikroklimatu &”; dla ludzkiego ciała, które nie jest ani zimne, ani gorące.
(3) Standard pomiaru zdolności regulacji temperatury STFT
Funkcja regulacji temperatury inteligentnego światłowodu sterującego temperaturą jest wyrażona przez"Adaptive Comfort Rating" (Adaptive Comfort Rating), która służy do pomiaru zdolności produktu' do pochłaniania, magazynowania i uwalniania energii, gdy jest to właściwe. Im wyższy poziom ACR produktu, tym wygodniejszy. Wartość ACR tradycyjnych włókien jest bliska zeru i trudno im magazynować ciepło.
Wybór regulacji temperatury i wydajność typu materiałów PCM
Przemiana fazowa odnosi się do zjawiska polegającego na tym, że stan fazowy niektórych substancji zmienia się w określonej temperaturze. Energia pochłonięta lub uwolniona podczas zmiany fazy nazywana jest ciepłem przemiany fazowej (zwanym również utajonym ciepłem przemiany fazowej), a ilość ciepła pochłoniętego i uwolnionego podczas zmian temperatury materiału nazywana jest ciepłem jawnym. W porównaniu z ciepłem jawnym ciepło przemiany fazowej jest znacznie większe. Dlatego wybór materiałów o przemianie fazowej jest pierwszym krokiem do przygotowania inteligentnych, regulujących temperaturę włókien i tekstyliów.
(1) Wybór materiałów kontrolujących temperaturę przemiany fazowej
Biorąc pod uwagę specjalne wymagania dotyczące nakładania włókien i obróbki tkanin, nie ma wielu materiałów kontrolujących temperaturę przemiany fazowej, które można zastosować do włókien tkanin. Przede wszystkim temperatura krystalizacji (temperatura utrzymywania) materiału o przemianie fazowej powinna być odpowiednia i odpowiednia do zakresu zastosowania. Biorąc za przykład włókno magazynujące energię o przemianie fazowej, większość opisanych dotychczas włókien magazynujących energię o przemianie fazowej ma wadę zbyt wysokiej temperatury krystalizacji i nie można ich dobrze zastosować w dziedzinie włókien odzieżowych; po drugie, przetwarzalność włókna magazynującego energię o przemianie fazowej, materiały o przemianie fazowej są w większości oligomerami o stosunkowo niskiej masie cząsteczkowej i należy wziąć pod uwagę ich stabilność chemiczną, stabilność termiczną, zdolność przędzenia po połączeniu z matrycą włóknistą itp.
Zasady przesiewania materiałów włóknistych o przemianie fazowej odpowiednich dla tekstyliów: (1) Wysoka gęstość magazynowania energii. Materiał o przemianie fazowej powinien mieć większą objętość jednostkową, wyższe ciepło utajone przemiany fazowej na jednostkę masy i większą pojemność cieplną właściwą. (2) Temperatura przemiany fazowej. Temperatura topnienia powinna odpowiadać zastosowaniu tekstyliów i odzieży, a zakres temperatury przemiany fazowej zgodny z temperaturą użytkowania powinien być wybierany zgodnie z różnymi klimatami i zastosowaniami. (3) Bezpieczny i niezawodny. Właściwości chemiczne i fizyczne materiałów o przemianie fazowej są stabilne, niekorozyjne, nieszkodliwe, nietoksyczne i niepalne. (4) Przewodność cieplna. Materiał o przemianie fazowej powinien mieć dużą odpowiednią przewodność cieplną, wysoką czułość i być w stanie szybko absorbować i uwalniać ciepło. (5) Proces przejścia fazowego. Proces przemiany fazowej powinien być całkowicie odwracalny i związany tylko z temperaturą. (6) Zmiany głośności. Gdy zmienia się faza, zmiana głośności jest niewielka. (7) Ciśnienie zmiany fazy. Odpowiednia prężność par w temperaturze roboczej materiału o przemianie fazowej powinna być stosunkowo niska. (8) Stabilność przejścia fazowego. Po wielokrotnych zmianach faz wydajność magazynowania ciepła nieznacznie spada. (9) Gęstość przejścia fazowego. Gęstość dwóch faz materiału o przemianie fazowej powinna być jak największa, aby zmniejszyć koszt pojemnika. (10) Przechłodzenie ze zmianą fazy. Małe przechłodzenie i duża szybkość wzrostu kryształów. (11) Wykonalne ekonomicznie.
W rzeczywistym procesie rozwoju bardzo trudno jest znaleźć materiały zmiennofazowe, które spełnią te idealne warunki. Dlatego ludzie często najpierw rozważają odpowiednią temperaturę przejścia fazowego i duże ciepło przejścia fazowego, a następnie rozważają różne kompleksowe czynniki, które wpływają na badania i zastosowania.
(2) Rodzaje materiałów kontrolujących temperaturę przemiany fazowej
Do tej pory opracowano i zastosowano ponad 500 jednorodnych materiałów termoregulacyjnych z przemianą fazową (PCM), a także kompozytowe i jakościowe materiały termoregulacyjne z przemianą fazową o unikalnych charakterystykach przemiany fazowej, opracowane i zastosowane w technologii kompozytowej. Obecnie opracowane i stosowane rodzaje materiałów regulujących temperaturę ze zmianą fazy to: ①Różne klasyfikacje w zależności od temperatury magazynowania ciepła materiałów: Zgodnie z zakresem temperatury zmiany fazy materiały regulujące temperaturę ze zmianą fazy można podzielić na trzy główne materiały zmiennofazowe: wysoka temperatura, średnia temperatura i niska temperatura. Materiały o przemianie fazowej w wysokiej temperaturze odnoszą się głównie do niektórych stopionych soli i stopów metali; materiały o przemianie fazowej w średniej temperaturze odnoszą się głównie do niektórych uwodnionych soli krystalicznych, materiałów organicznych i polimerowych; Materiały o przemianie fazowej w niskiej temperaturze odnoszą się głównie do materiałów takich jak lód i hydrożel. ②Różne klasyfikacje według formy przemiany fazowej materiału: materiały do kontroli temperatury zmiany fazy można podzielić na cztery kategorie: przemiana fazowa ciało stałe-ciało stałe, przemiana fazowa ciało stałe-ciecz, przemiana fazowa ciało stałe-gaz i materiał o przemianie fazowej ciecz-gaz. Wśród nich materiał magazynujący ciepło o przemianie fazowej ciało stałe-stały nie podlega przemianie fazowej, ale zmienia się postać krystaliczna materiału o przemianie fazowej. Oczywiście ciepło jest również pochłaniane i uwalniane podczas procesu zmiany formy kryształu. ③Sklasyfikowane według składu chemicznego materiału: nieorganiczny materiał o przemianie fazowej (I-PCM), organiczny materiał o przemianie fazowej (O-PCM), kompozytowy materiał o przemianie fazowej (C-PCM) i jakościowy materiał o przemianie fazowej (Q-PCM).
Poniżej znajduje się opis materiałów o przemianie fazowej według klasyfikacji składu chemicznego:
A. Nieorganiczne materiały regulujące temperaturę zmiany fazy: Nieorganiczne materiały o zmianie fazy obejmują głównie substancje nieorganiczne, takie jak uwodniona sól krystaliczna, stopiona sól i stop metali. Najbardziej typowymi z nich są uwodnione sole krystaliczne, które mają duże ciepło topnienia i stałą temperaturę topnienia. Jego istota odnosi się do temperatury, w której usuwana jest woda krystaliczna, a usunięta woda krystaliczna może rozpuszczać sól i pochłaniać ciepło. Gdy temperatura jest obniżona, zachodzi proces odwrotny, pochłaniający wodę krystaliczną i egzotermiczny. Mechanizm przejścia fazowego wyraża się następująco: AB·mH2O→AB+mH2O+Q, AB·mH2O→AB·pH2O+(mp)H2O+Q, gdzie m i p to liczba wody krystalicznej, a Q to ciepło topnienia.
Najczęściej stosowanymi substancjami tego typu są hydraty halogenków, siarczanów, fosforanów, azotanów, octanów i węglanów metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych, a reprezentatywne to: Na2SO4·10H2O , Mg(NO3)2·6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2·6H2O, CaBr2·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O, NH4Al(SO4)2·12H2O, Na2S2O3·5H2O itd.
B. Materiały kontrolujące temperaturę zmiany fazy organicznej
Takie materiały przemiany fazowej są powszechnie stosowane: parafina, kwasy karboksylowe, wyższe węglowodory alifatyczne, kwasy tłuszczowe lub ich estry lub sole, alkohole, węglowodory aromatyczne, aromatyczne ketony, amidy, freony i polihydroksykwasy węglowe, itp.; Ponadto makrocząsteczki obejmują: poliolefiny, polipoliole, polienole, kwasy polienowe, poliamidy i inne makrocząsteczki.
C. Kompozytowe materiały kontrolujące temperaturę zmiany fazy
Kompozytowe materiały do kontroli temperatury przemiany fazowej odnoszą się głównie do ogólnych układów mieszanych lub układów eutektycznych dwuskładnikowych lub wielokrotnych związków o podobnych właściwościach, materiałów o przemianie fazowej ciało stałe-ciecz o stabilnym kształcie oraz nieorganicznych i organicznych kompozytowych materiałów o przemianie fazowej. Kompozytowe materiały o przemianie fazowej mają na ogół dwie postacie: jedna jest mieszaniną dwóch materiałów o przemianie fazowej; drugi to ukształtowany materiał o przemianie fazowej. Chociaż mieszanie dwóch materiałów o przemianie fazowej jest proste w produkcji, ma wady ogólnych materiałów o przemianie fazowej, takie jak konieczność kapsułkowania, które jest podatne na przecieki i niebezpieczne w użyciu.
D. Jakościowe materiały kontrolujące temperaturę zmiany fazy
Ten rodzaj materiału kontrolującego temperaturę o przemianie fazowej jest mieszanym materiałem kontrolującym temperaturę, składającym się z materiału o przemianie fazowej i polimeru. Materiałem przemiany fazowej jest ogólnie parafinowy kwas organiczny itp. Materiałem polimerowym jest ogólnie HDPE (polietylen o dużej gęstości, który ma wyższą temperaturę topnienia, jako nośnik), ten ostatni jest stosowany jako nośnik i materiał uszczelniający do przechowywania fazy zmienić materiał w każdej z jego mikroprzestrzeni. Dlatego też, gdy materiał o przemianie fazowej ulega przemianie fazowej, jakościowy materiał kontrolujący temperaturę przemiany fazowej może zachować pewien kształt i materiał bez przemiany fazowej będzie wyciekał.
W porównaniu ze zwykłymi materiałami o przemianie fazowej, jakościowa regulacja temperatury zmiany fazy nie wymaga sprzętu do pakowania, co zmniejsza koszty pakowania i trudności w pakowaniu, zapobiega ryzyku wycieku materiału, zwiększa bezpieczeństwo użytkowania materiału i zmniejsza opór przenoszenia ciepła pojemnika, Co sprzyja wymianie ciepła między materiałem o przemianie fazowej a płynem ciepłonośnym.
(3) Materiały regulujące temperaturę zmiany fazy stosowane do włókien tkanin
Ponieważ główna część tego artykułu wyjaśnia, że tkanina z włókien PCM rozwiązuje głównie temperaturę i energię przemiany fazowej, które ludzkie ciało jest wygodne w noszeniu, więc odpowiednie materiały przemiany fazowej (PCM) są bardzo ograniczone. Obecnie główne opracowane na skalę międzynarodową PCM są klasyfikowane w następujący sposób według ich typu, składu i wydajności:
①Nieorganiczny materiał przemiany fazowej (I-PCM)
Skład: np. uwodniona sól Na2HPO4·12H2O, CaCl2·6H2O, Na2SO4·10H2O itp. Jego działanie: temperatura poniżej 35℃; energia 120J/g～300J/g; znak cykliczny {{14}}; responsywny znak ++; cechy to niska cena, wysoka gęstość magazynowania ciepła, duża przewodność cieplna; problemem jest koncentracja energii i przechłodzenie Duże, łatwe do oddzielenia, słaba wydajność magazynowania ciepła.
②Organiczne materiały przemiany fazowej (O-PCM)
A. Skład: węglowodór parafinowy, tłuszcz organiczny CnH2n+2, CnH2nO2 itp. Jego działanie: temperatura 18 ℃ ~ 40 ℃; energia 200J/g～300J/g; znak cykliczności +++; znak reakcji ++; charakterystyczne jest to, że ciepło topnienia jest duże, ale jest zimne i nie wytrąca się; problem polega na tym, że przewodność cieplna jest mała, gęstość jest mała.
B. Skład: poliole: PG, NPG, PEG itp. Jego wydajność: temperatura 24 ℃ ~ 40 ℃; energia 100J/g～300J/g; znak cyklu ++++; responsywny znak ++; cechami charakterystycznymi są małe odkształcenia i przechłodzenie, wysoka sprawność cieplna, długa żywotność; problem polega na tym, że wysoka temperatura to plastikowy kryształ, łatwy do ulatniania się.
③Kompozytowy materiał zmiennofazowy (C-PCM)
Skład: nieorganiczny, organiczny kompozyt, materiał kompozytowy do magazynowania energii (CESM) itp. Jego wydajność: temperatura -140 ℃ ~ 670 ℃; energia 100J/g～500J/g; znakowanie cykliczne ++++; responsywne znakowanie ++++; charakterystyka wysokiej gęstości magazynowania energii, szybki transfer ciepła, stabilna, łatwa obróbka.
(4) Metody badań stabilności regulacji temperatury materiałów zmiennofazowych
Stabilność regulacji temperatury jest podstawowym warunkiem wstępnym stosowania materiałów o przemianie fazowej w tekstyliach włóknistych, zwłaszcza stabilności regulacji temperatury kompozytowych materiałów o przemianie fazowej (C-PCM) i jakościowych materiałów o przemianie fazowej (Q-PCM). Poniżej przedstawiono zmianę fazy. Metoda badania stabilności materiałów kompozytowych regulujących temperaturę obejmuje następujące procedury:
①Przygotować próbki: równomiernie rozprowadzić standardową masę materiału kompozytowego regulującego temperaturę ze zmianą fazy w obszarze testowym materiału kompozytowego regulującego temperaturę ze zmianą fazy w środku standardowej bibuły filtracyjnej, aby przygotować próbkę do badania;
②Piecz próbkę: przenieś testowaną próbkę do pieca i piecz ją w stałej temperaturze 40℃~50℃ przez 5-12 godzin, a następnie wyjmij próbkę testową;
③Obserwowanie próbki: Obserwować wypacanie składnika płynu roboczego regulującego zmianę fazy poza obszarem testowym materiału kompozytowego regulującego temperaturę zmiany fazy na bibule filtracyjnej i zmierzyć maksymalną i minimalną średnicę okręgu wysięku utworzonego na zewnątrz obszar testowy. Średnia średnica okręgu wysięku jest obliczana na podstawie maksymalnej średnicy i minimalnej średnicy okręgu wysięku.