Fibrele și textilele inteligente pentru reglarea temperaturii sunt produse de înaltă tehnologie care s-au dezvoltat rapid în anii 1990 și sunt pline de vitalitate. Nu numai că poate îmbunătăți confortul îmbrăcămintei, dar are și o valoare adăugată ridicată și poate obține beneficii mari. Odată cu introducerea continuă a tehnologiei înalte și noi în acest domeniu, cerințele oamenilor&# 39 pentru îmbrăcăminte de lux și funcționalitate au crescut. Dezvoltarea unui nou tip de țesătură din fibră inteligentă de reglare a temperaturii cu schimbare de fază are o perspectivă bună de dezvoltare și perspective largi de aplicare.
Istoria dezvoltării fibrelor inteligente de reglare a temperaturii cu schimbare de fază
Fibra de schimbare de fază este un fel de fibră funcțională de stocare a căldurii și de reglare a temperaturii dezvoltată prin utilizarea caracteristicilor de degajare sau absorbție a căldurii latente și menținerea temperaturii constante în timpul schimbării de fază a materialului.
Cercetarea fibrelor inteligente de reglare a temperaturii cu schimbare de fază a început în Statele Unite în anii 1980. Prima fibră inteligentă de reglare a temperaturii bazată pe fibră acrilică Outlast dezvoltată de proiectul de cercetare al Administrației Naționale pentru Aeronautică și Spațiu a fost obținută prin adăugarea de microcapsule acoperite cu material de schimbare de fază parafină hidrocarbonă la soluția de filare a fibrelor acrilice. Jachetele dezvoltate prin planul lunar pentru îmbrăcămintea astronauților și protecția instrumentelor de precizie în experimentele spațiale au fost dezvoltate cu succes în 1988 și utilizate pentru uz comercial pentru prima dată în 1994. În 1997, Agenția Spațială SUA a înființat Gateway, o companie specializată în dezvoltarea și cercetarea fibrelor inteligente de reglare a temperaturii. Fibra pe bază de fibră acrilică Outlast a fost înregistrată ca outlast, care a fost dezvoltată pentru îmbrăcăminte generală și a fost vândută pe piețele SUA și europene. De atunci, compania germană Kelheim Fiber și Outlast Company au cooperat pentru a dezvolta fibra de viscoză Outlast. De fapt, se obține prin adăugarea de microcapsule de material de schimbare de fază la soluția de filare a fibrelor de viscoză. Efectul său de izolare termică atinge 42,5% și a fost brevetat. .
În prezent, materialele pentru schimbarea fazei sunt utilizate ca dezvoltare și aplicare a fibrelor inteligente de control al temperaturii pentru schimbarea fazei. Statele Unite și Elveția sunt mai mature în țările străine. Fibrele de control al temperaturii pe care le produc sunt în principal tehnologia de filare a microcapsulelor; Europa și Japonia au, de asemenea, cercetări în acest domeniu. . Germania a fost prima care a dezvoltat cu succes materiale de finisare a microcapsulelor de stocare a căldurii cu sulfat de sodiu; mai târziu, a dezvoltat țesături umplute cu solvenți și gaze inerte în fibre goale. Tehnologia reprezentativă a Japoniei&este acoperirea cu suspensie pentru microcapsule dezvoltată de Daiwa Chemical Industry.
Tipul de reglare a temperaturii țesăturii din fibre
(1) Fibra unidirecțională de reglare a temperaturii
Acest tip de fibră are o singură funcție de reglare a temperaturii, care poate crește sau reduce temperatura. Unul este fibrele de încălzire EKS și Softwarm produse de Japan Toyobo Co., Ltd .; cealaltă este fibră de in și fibră de jad cu funcție de răcire. Deoarece au doar un efect de reglare a temperaturii într-un singur sens, aceste fibre au deficiențe evidente. Prin urmare, atunci când direcția de modificare a temperaturii mediului este opusă direcției de reglare a temperaturii, aceasta nu va funcționa bine și chiar va provoca consecințe negative.
(2) Fibra de reglare a temperaturii în două direcții
Materiale de schimbare de fază (materiale de schimbare de fază, denumite PCM) care pot regla independent mediile reci și calde, au funcții de reglare a temperaturii și de adaptabilitate în două direcții. Prin producție și procesare, PCM-urile sunt adăugate la matricea de fibre într-o anumită formă tehnologică. Când se atinge schimbarea fazei La temperatură, poate preveni în mod activ fluctuații excesive de temperatură în îmbrăcăminte prin încălzire discontinuă. Energia procesului de schimbare de fază este stocată în materialul de schimbare de fază pentru a-i crește capacitatea de căldură; atunci când temperatura ambiantă scade, se va elibera în mod inteligent. Își eliberează energia stocată și poate fi utilizată în mod repetat într-un mediu de oscilație a temperaturii, deci se numește" Transformare inteligentă a fibrelor termostatului (STFT)" ;.
Mecanismul de schimbare de fază al STFT&și principiul de reglare a temperaturii
STFT se mai numește și fibră de aer condiționat. Mecanismul de schimbare a fazei STFT se referă la faptul că, în anumite condiții, când temperatura anumitor substanțe este practic neschimbată și starea de fază se schimbă, căldura latentă de schimbare de fază este mult mai mare decât căldura sensibilă de schimbare de fază. Fibra inteligentă de reglare a temperaturii pentru schimbarea fazei este un nou tip de fibră care folosește schimbarea fazei materiale pentru a elibera sau a absorbi căldura latentă pentru a menține temperatura constantă. Schimbarea fazei se manifestă în principal ca tranziția între lichid și solid sau schimbarea fazei structurii de cristal-cristal, cristal-lichid și agregare moleculară în solid, iar energia termică menține temperatura.
(1) Mecanism de tranziție de fază a STFT
Diferența dintre țesătura din fibră inteligentă de reglare a temperaturii cu schimbare de fază și țesătura tradițională din fibră constă în diferitele mecanisme de conservare a căldurii. Îmbrăcămintea tradițională de izolare termică utilizează în principal metode de izolare termică pentru a evita reducerea excesivă a temperaturii pielii, în timp ce mecanismul de izolare termică a fibrelor de schimbare de fază este insensibil la deformare, umiditate și presiunea aerului și nu se simte prea înfundat sau greu. Poate oferi corpului uman un microclimat confortabil. împrejurimi. Motivul este că PCM-urile asigură reglarea termică, nu izolația termică. Realizarea acestui mecanism de schimbare a fazei și a mecanismului de reglare a temperaturii este că într-un mediu termic, când se atinge temperatura de topire a mediului de schimbare a fazei, cristalul mediului de schimbare a fazei se schimbă, iar lanțul său molecular depășește forța intermoleculară, distanța crește, iar cristalul Topindu-se, fibra absoarbe căldura; când fibra intră într-un mediu rece dintr-un mediu fierbinte, când temperatura este mai mică decât punctul de cristalizare al mediului de schimbare a fazei, lanțurile moleculare din mediul de schimbare a fazei sunt aranjate în mod regulat pentru a forma cristale, iar fibra eliberează căldură; stocarea energiei prin schimbarea fazei În acest fel, fibra atinge scopul reglării temperaturii prin absorbția și eliberarea căldurii.
(2) Principiul reglării temperaturii STFT
STFT provine din mecanismul de schimbare de fază PCMs din țesătura din fibră. Procesul de absorbție și eliberare a căldurii este automat, reversibil și nelimitat. Avantajele principiului său de reglare a temperaturii sunt: controlul temperaturii pentru a echilibra temperatura și cerințele de căldură adecvate confortului pe tot parcursul zilei; rezistenta buna la temperatura, ofera un efect de racire; absoarbe excesul de căldură corporală și eliberează-l atunci când temperatura suprafeței corpului scade, prevenind Suprafața corpului este prea rece.
Prin urmare, materialele textile din fibre care conțin PCM mențin constanța temperaturii corpului între corpul uman și mediul extern, indiferent dacă temperatura mediului extern crește sau scade, creând astfel un&"; mediu de microclimat &"; pentru corpul uman care nu este nici rece, nici fierbinte.
(3) Standardul de măsurare al capacității de reglare a temperaturii STFT
Funcția de reglare a temperaturii fibrei inteligente de control al temperaturii este exprimată prin" Adaptive Comfort Rating" Valoarea (Adaptive Comfort Rating), care este utilizată pentru a măsura capacitatea produsului' de a absorbi, stoca și elibera energie atunci când este cazul. Cu cât nivelul ACR al produsului este mai ridicat, cu atât este mai confortabil. Valoarea ACR a fibrelor tradiționale este aproape de zero și le este greu să stocheze căldură.
Selecția reglării temperaturii și performanța tipului materialelor PCM
Tranziția de fază se referă la fenomenul că starea de fază a anumitor substanțe se schimbă la o anumită temperatură. Energia absorbită sau eliberată în timpul schimbării de fază se numește căldură de schimbare de fază (numită și căldură latentă de schimbare de fază), iar cantitatea de căldură absorbită și eliberată în timpul schimbărilor de temperatură a materialului se numește căldură sensibilă. În comparație cu căldura sensibilă, căldura prin schimbare de fază este mult mai mare. Prin urmare, selectarea materialelor pentru schimbarea fazei este primul pas pentru a pregăti fibre și textile inteligente care reglează temperatura.
(1) Selectarea materialelor pentru controlul temperaturii de schimbare a fazei
Având în vedere cerințele speciale de aplicare a fibrelor și prelucrarea țesăturilor, nu există multe materiale pentru controlul temperaturii pentru schimbarea fazei care pot fi utilizate pentru fibrele țesăturii. În primul rând, temperatura de cristalizare (temperatura de reținere) a materialului de schimbare a fazei ar trebui să fie adecvată și adecvată domeniului de aplicare. Luând ca exemplu fibra de stocare a energiei cu schimbare de fază, majoritatea fibrelor de stocare a energiei cu schimbare de fază raportate până acum au dezavantajul unei temperaturi de cristalizare prea ridicate și nu pot fi bine aplicate în domeniul fibrelor de îmbrăcăminte; în al doilea rând, procesabilitatea fibrei de stocare a energiei pentru schimbarea fazei, materialele pentru schimbarea fazei sunt în mare parte oligomeri, cu greutate moleculară relativ mică, și trebuie luate în considerare stabilitatea lor chimică, stabilitatea termică, spinnabilitatea după combinarea cu matricea de fibre etc.
Principii pentru screeningul materialelor din fibre pentru schimbarea fazei adecvate pentru textile: (1) Densitate mare de stocare a energiei. Materialul pentru schimbarea fazei ar trebui să aibă un volum de unitate mai mare, o căldură latentă mai mare de schimbare de fază pe unitate de masă și o capacitate de căldură specifică mai mare. (2) Temperatura de tranziție de fază. Punctul de topire ar trebui să îndeplinească utilizarea textilelor și a îmbrăcămintei, iar intervalul de temperatură de schimbare a fazei, în concordanță cu temperatura de utilizare, ar trebui să fie selectat în funcție de diferite climaturi și utilizări. (3) Sigur și fiabil. Proprietățile chimice și fizice ale materialelor pentru schimbarea fazei sunt stabile, necorozive, inofensive, netoxice și neinflamabile. (4) Conductivitate termică. Materialul pentru schimbarea fazei ar trebui să aibă o conductivitate termică adecvată mare, o sensibilitate ridicată și să poată absorbi și elibera rapid căldura. (5) Procesul de tranziție de fază. Procesul de schimbare a fazei ar trebui să fie complet reversibil și să fie legat doar de temperatură. (6) Modificări de volum. Când se modifică faza, schimbarea volumului este mică. (7) Presiunea de schimbare a fazei. Presiunea de vapori corespunzătoare la temperatura de lucru a materialului pentru schimbarea fazei ar trebui să fie relativ scăzută. (8) Stabilitatea tranziției de fază. După modificări repetate de fază, performanța stocării căldurii scade puțin. (9) Densitatea tranziției de fază. Densitatea celor două faze ale materialului de schimbare a fazelor ar trebui să fie cât mai mare posibil, astfel încât să se reducă costul containerului. (10) Supercooling de schimbare de fază. Răcire mică și rată ridicată de creștere a cristalelor. (11) Fezabil din punct de vedere economic.
În procesul propriu-zis de dezvoltare, este foarte dificil să găsești materiale pentru schimbarea fazei care să îndeplinească aceste condiții ideale. Prin urmare, oamenii consideră mai întâi temperatura adecvată de tranziție de fază și căldura de tranziție de fază mare și apoi iau în considerare diferiți factori cuprinzători care afectează cercetarea și aplicațiile.
(2) Tipuri de materiale pentru controlul temperaturii cu schimbare de fază
Până în prezent, există mai mult de 500 de materiale de termoreglare cu schimbare de fază de un singur tip (PCM) care au fost dezvoltate și aplicate, precum și materiale de termoreglare compozite și calitative cu schimbare de fază cu caracteristici unice de schimbare de fază dezvoltate și aplicate prin tehnologia compozită. Tipurile de materiale de reglare a temperaturii cu schimbare de fază dezvoltate și aplicate în prezent sunt: ①Clasificări diferite în funcție de temperatura de stocare a căldurii materialelor: În funcție de intervalul de temperatură de schimbare de fază, materialele de reglare a temperaturii de schimbare de fază pot fi împărțite în trei materiale cu schimbare de fază: temperatură ridicată, temperatură medie și temperatură scăzută. Materialele cu schimbare de fază la temperaturi ridicate se referă în principal la unele săruri topite și materiale din aliaje metalice; materialele cu schimbare de fază la temperatură medie se referă în principal la unele săruri cristalizate, organice și materiale polimerice; materialele cu schimbare de fază la temperatură scăzută se referă în principal la materiale precum gheața și hidrogelul. ②Clasificări diferite în funcție de forma schimbării de fază a materialelor: Materialele pentru controlul temperaturii schimbării fazei pot fi împărțite în patru categorii: schimbare de fază solid-solid, schimbare de fază solid-lichid, schimbare de fază solid-gaz și material de schimbare de fază lichid-gaz. Dintre acestea, materialul de stocare a căldurii cu schimbare de fază solid-solid nu suferă o schimbare de fază, dar forma cristalină a materialului de schimbare de fază se schimbă. Desigur, căldura este, de asemenea, absorbită și eliberată în timpul procesului de schimbare a formei cristaline. ③Clasificat în funcție de compoziția chimică a materialului: material de schimbare a fazei anorganice (I-PCM), material de schimbare de fază organic (O-PCM), material de schimbare de fază compozit (C-PCM) și material de schimbare de fază calitativ (Q-PCM).
Următoarea este o descriere a materialelor pentru schimbarea fazei, prin clasificarea compoziției chimice:
A. Materiale de reglare a temperaturii pentru modificarea fazei anorganice: Materialele pentru schimbarea fazei anorganice includ în principal substanțe anorganice, cum ar fi sarea hidratată cristalină, sarea topită și aliajul metalic. Cele mai tipice dintre acestea sunt sărurile cristaline hidratate, care au o căldură mare de fuziune și un punct de topire fix. Esența sa se referă la temperatura la care apa cristalină este îndepărtată, iar apa cristalină eliminată poate dizolva sarea și absorbi căldura. Când temperatura este redusă, are loc procesul invers, absorbind apa cristalină și exotermă. Mecanismul de tranziție de fază este exprimat după cum urmează: AB · mH2O → AB + mH2O + Q, AB · mH2O → AB · pH2O + (mp) H2O + Q, unde m și p reprezintă numărul de apă cristalină, iar Q este căldura de fuziune.
Cele mai frecvent utilizate substanțe de acest tip sunt hidrații halogenurilor metalelor alcaline și alcalino-pământoase, sulfaților, fosfaților, nitraților, acetaților și carbonaților, iar cele reprezentative sunt: Na2SO4 · 10H2O, Mg (NO3) 2 · 6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2 · 6H2O, CaBr2 · 6H2O, Zn (NO3) 2 · 6H2O, NH4Al (SO4) 2 · 12H2O, Na2S2O3 · 5H2O etc.
B. Materiale de control al temperaturii pentru schimbarea fazei organice
Astfel de materiale pentru schimbarea fazei sunt utilizate în mod obișnuit: parafină, acizi carboxilici, hidrocarburi alifatice superioare, acizi grași sau esterii sau sărurile acestora, alcooli, hidrocarburi aromatice, cetone aromatice, amide, freoni și acizi polihidroxi-carbonici etc .; În plus, macromoleculele includ: poliolefine, polipolioli, polienoli, acizi polienoici, poliamide și alte macromolecule.
C. Materiale de control al temperaturii pentru schimbarea fazelor compozite
Materialele pentru controlul temperaturii de schimbare a fazelor compozite se referă în principal la sisteme mixte generale sau sisteme eutectice de compuși binari sau multipli cu proprietăți similare, materiale de schimbare de fază solid-lichid cu formă stabilă și materiale de schimbare a fazelor compozite anorganice și organice. Materialele compuse pentru schimbarea fazelor au în general două forme: una este un amestec de materiale cu schimbare de fază; cealaltă este un material de schimbare a fazei. Deși amestecarea celor două materiale de schimbare a fazelor este ușor de fabricat, are dezavantajele materialelor generale de schimbare a fazelor, cum ar fi necesitatea încapsulării, care este predispusă la scurgeri și este nesigură pentru utilizare.
D. Materiale pentru controlul temperaturii cu schimbare de fază calitativă
Acest tip de material pentru controlul temperaturii de schimbare a fazei este un material mixt de control al temperaturii compus din material pentru schimbarea fazei și polimer. Materialul de schimbare a fazei este în general acid organic parafinic, etc. Materialul polimeric este în general HDPE (polietilenă de înaltă densitate, care are un punct de topire mai mare, ca suport), acesta din urmă este folosit ca material de susținere și etanșare pentru a conține faza. schimbați materialul în fiecare dintre micro-spațiile sale. Prin urmare, atunci când materialul pentru schimbarea fazei suferă o schimbare de fază, materialul de control al temperaturii pentru schimbarea de fază calitativă poate menține o anumită formă și nu se va scurge niciun material pentru schimbarea fazei.
În comparație cu materialele obișnuite pentru schimbarea fazelor, reglarea calitativă a temperaturii pentru schimbarea fazei nu necesită echipamente de ambalare, ceea ce reduce costurile de ambalare și dificultățile de ambalare, evită riscul scurgerilor de material, crește siguranța utilizării materialului și reduce rezistența la transferul de căldură al containerului, Ceea ce este favorabil schimbului de căldură între materialul de schimbare a fazei și fluidul de transfer de căldură.
(3) Materiale de reglare a temperaturii schimbării fazei utilizate pentru fibrele țesăturii
Întrucât corpul principal al acestui articol explică faptul că țesăturile din fibră PCM rezolvă în principal temperatura de schimbare a fazei și energia pe care corpul uman o poartă confortabil, astfel încât materialele de schimbare de fază (PCM) aplicabile sunt foarte limitate. În prezent, principalele PCM dezvoltate la nivel internațional sunt clasificate după cum urmează în funcție de tipul, compoziția și performanța lor:
MaterialMaterial pentru schimbarea fazei organice (I-PCM)
Compoziție: cum ar fi sarea hidratată Na2HPO4 · 12H2O, CaCl2 · 6H2O, Na2SO4 · 10H2O etc. Performanța sa: temperatura sub 35 ℃; energie 120J / g ～ 300J / g; marcaj ciclic {{14}}; marca receptivă ++; caracteristicile sunt preț scăzut, densitate mare de stocare a căldurii, conductivitate termică mare; problema este concentrarea energiei și subrăcirea mare, ușor de separat, performanțe slabe de stocare a căldurii.
MaterialsMateriale organice pentru schimbarea fazei (O-PCM)
A. Compoziție: hidrocarbură de parafină, grăsimi organice CnH2n+2, CnH2nO2 etc. Performanța sa: temperatura 18 ℃ ～ 40 ℃; energie 200J / g ～ 300J / g; marca de ciclicitate +++; marca de receptivitate ++; caracteristica este că căldura de fuziune este mare, dar este rece și nu precipită; problema este că conductivitatea termică este mică, Densitatea este mică.
B. Compoziție: polioli: PG, NPG, PEG etc. Performanța sa: temperatura 24 24 ～ 40 ℃; energie 100J / g ～ 300J / g; marca ciclului ++++; marca receptivă ++; caracteristicile sunt deformare mică și subrăcire, eficiență termică ridicată, durată lungă de viață; problema este că Temperatura ridicată este cristalul de plastic, pierderea ușoară până la volatilitate.
MaterialMaterial pentru schimbarea fazelor compuse (C-PCM)
Compoziție: compozit anorganic, organic, material compozit de stocare a energiei (CESM) etc. Performanța sa: temperatură -140 ℃ ～ 670 ℃; energie 100J / g ～ 500J / g; marcaj ciclic ++++; marcare receptivă ++++; caracteristici ale densității ridicate de stocare a energiei, transfer rapid de căldură, stabil, ușor de procesat.
(4) Metode de încercare pentru stabilitatea reglării temperaturii materialelor cu schimbare de fază
Stabilitatea reglării temperaturii este condiția principală pentru utilizarea materialelor cu schimbare de fază în textilele din fibră, în special stabilitatea la reglarea temperaturii a materialelor compozite pentru schimbarea fazei (C-PCM) și a materialelor calitative pentru schimbarea fazei (Q-PCM). O schimbare de fază este introdusă mai jos. Metoda de testare pentru stabilitatea materialelor compozite de reglare a temperaturii include următoarele proceduri:
①Pregătiți probele: împrăștiați în mod uniform greutatea standard a materialului compozit de reglare a temperaturii de schimbare de fază în zona de testare a materialului compozit de reglare a temperaturii de schimbare de fază în centrul hârtiei de filtru standard pentru a pregăti proba de testat;
② Coaceți proba: mutați proba care urmează să fie testată în cuptor și coaceți-o la o temperatură constantă de 40 ℃ ～ 50 ℃ timp de 5-12 ore, apoi scoateți proba;
③Observarea eșantionului: Respectați exsudarea componentei fluidului de lucru care reglează temperatura de schimbare a fazei în afara zonei de testare a materialului compozit de reglare a temperaturii de schimbare de fază pe hârtia de filtru și măsurați diametrul maxim și minim al cercului de exudare format în exterior zona de testare. Diametrul mediu al cercului de exudație este calculat de diametrul maxim și diametrul minim al cercului de exudație.