Les fibres i els teixits intel·ligents que regulen la temperatura són productes d’alta tecnologia que es van desenvolupar ràpidament a la dècada de 1990 i estan plens de vitalitat. No només pot millorar la comoditat de la roba, sinó que també té un alt valor afegit i pot obtenir beneficis elevats. Amb la introducció contínua d’alta i nova tecnologia en aquest camp, s’han incrementat els requisits de roba i funcionalitat de les persones&# 39. El desenvolupament d’un nou tipus de teixit intel·ligent de regulació de temperatura per canviar la fase té una bona perspectiva de desenvolupament i àmplies perspectives d’aplicació.
La història del desenvolupament de la fibra intel·ligent reguladora de la temperatura de canvi de fase
La fibra de canvi de fase és un tipus de fibra funcional d’emmagatzematge de calor i regulació de temperatura desenvolupada mitjançant l’ús de les característiques d’alliberar o absorbir calor latent i mantenir la temperatura constant durant el canvi de fase del material.
La investigació de la fibra intel·ligent reguladora de la temperatura del canvi de fase es va originar als Estats Units als anys vuitanta. La primera fibra intel·ligent reguladora de la temperatura basada en fibra acrílica Outlast desenvolupada pel projecte de recerca de l’Administració Nacional d’Aeronàutica i de l’Espai es va obtenir afegint microcàpsules recobertes amb hidrocarbur de parafina de material de canvi de fase a la solució de filatura de fibra acrílica. Les jaquetes desenvolupades pel pla mensual per a la roba d’astronautes i la protecció d’instruments de precisió en experiments espacials es van desenvolupar amb èxit el 1988 i es van utilitzar per a ús comercial per primera vegada el 1994. El 1997, l’Agència Espacial dels Estats Units va establir Gateway, una empresa especialitzada en desenvolupament i investigació de fibres intel·ligents reguladores de temperatura. La fibra basada en fibra acrílica Outlast es va registrar com a outlast, que es va desenvolupar per a roba general i es va vendre als mercats nord-americà i europeu. Des de llavors, la companyia alemanya de fibres Kelheim i la companyia Outlast han col·laborat per desenvolupar la fibra de viscosa Outlast. De fet, s’obté afegint microcàpsules de material de canvi de fase a la solució de filatura de fibra de viscosa. El seu efecte d’aïllament tèrmic arriba al 42,5% i ha estat patentat. .
Actualment, s’utilitzen materials de canvi de fase com a desenvolupament i aplicació de fibres intel·ligents de control de temperatura de canvi de fase. Els Estats Units i Suïssa estan més madurs als països estrangers. Les fibres de control de temperatura que produeixen són principalment tecnologia de filatura de microcàpsules; Europa i el Japó també tenen investigacions en aquesta àrea. . Alemanya va ser la primera a desenvolupar amb èxit materials d’acabat de microcàpsules d’emmagatzematge de calor de sulfat de sodi; més tard, va desenvolupar teixits plens de dissolvents i gasos inerts en fibres buides. La tecnologia representativa del Japó&és el recobriment de purins de microcàpsules desenvolupat per Daiwa Chemical Industry.
Tipus de regulació de la temperatura del teixit de fibra
(1) Fibra reguladora de temperatura unidireccional
Aquest tipus de fibra té una funció de regulació de temperatura única, que pot augmentar o disminuir la temperatura. Una és la fibra de calefacció EKS i Softwarm produïda per Japan Toyobo Co., Ltd; l’altra és fibra de lli i fibra de jade amb funció de refrigeració. Com que només tenen un efecte de regulació de temperatura unidireccional, aquestes fibres presenten deficiències evidents. Per tant, quan la direcció del canvi de temperatura ambiental és oposada a la de l’ajust de la temperatura, no funcionarà bé i fins i tot provocarà conseqüències adverses.
(2) Fibra reguladora de temperatura bidireccional
Els materials de canvi de fase (materials de canvi de fase, anomenats PCM) que poden ajustar independentment els entorns freds i calorosos, tenen funcions d’adaptació i adaptabilitat de la temperatura de dues vies. Mitjançant la producció i processament, s’afegeixen PCM a la matriu de fibra en una forma tecnològica determinada. Quan s’aconsegueix el canvi de fase a temperatura, pot prevenir activament fluctuacions de temperatura excessives a la roba mitjançant escalfament discontinu. L’energia del procés de canvi de fase s’emmagatzema al material de canvi de fase per augmentar la seva capacitat tèrmica; quan baixa la temperatura ambiental, intel·ligentment allibera l'energia emmagatzemada i es pot utilitzar repetidament en un entorn d'oscil·lació de la temperatura, de manera que s'anomena" Transformació de fibra intel·ligent del termòstat (STFT)" ;.
Mecanisme de canvi de fase de STFT&i principi de regulació de la temperatura
El STFT també s’anomena fibra d’aire condicionat. El mecanisme de canvi de fase de STFT es refereix al fet que, en determinades condicions, quan la temperatura de certes substàncies no canvia bàsicament i canvia l’estat de fase, la calor latent del canvi de fase és molt més gran que la calor sensible del canvi de fase. La fibra intel·ligent per ajustar la temperatura del canvi de fase és un nou tipus de fibra que utilitza el canvi de fase del material per alliberar o absorbir calor latent per mantenir la temperatura constant. El canvi de fase es manifesta principalment com la transició entre líquid i sòlid, o el canvi de la fase d’estructura d’agregació cristal-cristall, cristall-líquid i molecular en el sòlid, i l’energia tèrmica manté la temperatura.
(1) Mecanisme de transició de fase de STFT
La diferència entre el teixit de fibra intel·ligent reguladora de temperatura per canvi de fase i el teixit tradicional de fibra radica en el diferent mecanisme de preservació de la calor. La roba tradicional d’aïllament tèrmic utilitza principalment mètodes d’aïllament tèrmic per evitar una reducció excessiva de la temperatura de la pell, mentre que el mecanisme d’aïllament tèrmic de les fibres de canvi de fase és insensible a la deformació, la humitat i la pressió de l’aire i no se sent massa obstruït ni pesat. Pot proporcionar al cos humà un confortable microclima. entorn. La raó és que els PCM proporcionen regulació tèrmica, no aïllament tèrmic. La realització d’aquest mecanisme de canvi de fase i mecanisme d’ajust de temperatura és que en un entorn tèrmic, quan s’arriba a la temperatura de fusió del medi de canvi de fase, el cristall del medi de canvi de fase canvia i la seva cadena molecular supera la força intermolecular, la la distància augmenta, i la fusió del cristall, la fibra absorbeix la calor; quan la fibra entra en un entorn fred des d’un entorn calent, quan la temperatura és inferior al punt de cristal·lització del medi de canvi de fase, les cadenes moleculars del medi de canvi de fase es disposen regularment per formar cristalls i la fibra allibera calor; emmagatzematge d'energia de canvi de fase D'aquesta manera, la fibra aconsegueix el propòsit de regular la temperatura absorbint i alliberant calor.
(2) El principi de regulació de la temperatura de STFT
STFT prové del mecanisme de canvi de fase PCMs del teixit de fibra. El procés d’absorció i alliberament de calor és automàtic, reversible i il·limitat. Els avantatges del seu principi de regulació de temperatura són: control de temperatura per equilibrar la temperatura i els requisits de calor adequats per al confort durant tot el dia; bona resistència a la temperatura, proporciona un efecte de refrigeració; absorbeix l’excés de calor corporal i allibera’l quan disminueix la temperatura de la superfície corporal, evitant que la superfície corporal sigui massa freda.
Per tant, els teixits de fibra que contenen PCM mantenen la constància de la temperatura corporal entre el cos humà i l’entorn extern independentment de si la temperatura de l’ambient extern augmenta o disminueix, creant així un" entorn microclima" per al cos humà que no és ni fred ni calent.
(3) L'estàndard de mesura de la capacitat de regulació de temperatura STFT
La funció d’ajust de temperatura de la fibra intel·ligent de control de temperatura s’expressa mitjançant el valor" Adaptive Comfort Rating" Valor (Adaptive Comfort Rating), que s'utilitza per mesurar la capacitat del producte&# 39 d'absorbir, emmagatzemar i alliberar energia quan escaigui. Com més alt sigui el nivell ACR del producte, més còmode serà. El valor ACR de les fibres tradicionals és proper a zero i els costa emmagatzemar calor.
Selecció de l'ajust de temperatura i rendiment del tipus de materials PCM
La transició de fase fa referència al fenomen que l'estat de fase de certes substàncies canvia a una temperatura determinada. L'energia absorbida o alliberada durant el canvi de fase s'anomena calor de canvi de fase (també anomenada calor latent de canvi de fase), i la quantitat de calor absorbida i alliberada durant els canvis de temperatura del material s'anomena calor sensible. En comparació amb la calor sensible, la calor per canvi de fase és molt més gran. Per tant, la selecció de materials de canvi de fase és el primer pas per preparar fibres i teixits intel·ligents que regulen la temperatura.
(1) Selecció de materials de control de temperatura de canvi de fase
Tenint en compte els requisits especials d’aplicació de fibres i processament de teixits, no hi ha molts materials de control de temperatura de canvi de fase que es puguin utilitzar per a les fibres de teixit. En primer lloc, la temperatura de cristal·lització (temperatura de retenció) del material de canvi de fase ha de ser adequada i adequada al camp d’aplicació. Prenent com a exemple la fibra d’emmagatzematge d’energia de canvi de fase, la majoria de les fibres d’emmagatzematge d’energia de canvi de fase comunicades fins ara presenten l’inconvenient d’una temperatura de cristal·lització massa alta i no es poden aplicar bé en el camp de les fibres de roba; en segon lloc, cal processar la fibra d’emmagatzematge d’energia de canvi de fase, els materials de canvi de fase són majoritàriament oligòmers, amb un pes molecular relativament baix, i s’ha de tenir en compte la seva estabilitat química, estabilitat tèrmica, espinabilitat després de combinar-se amb la matriu de fibra, etc.
Principis per a la selecció de materials de fibra de canvi de fase adequats per a tèxtils: (1) Alta densitat d’emmagatzematge d’energia. El material de canvi de fase hauria de tenir un volum unitari més alt, una calor latent més gran de canvi de fase per unitat de massa i una capacitat calorífica específica més gran. (2) Temperatura de transició de fase. El punt de fusió ha de complir l’ús de tèxtils i peces de vestir i s’ha de seleccionar l’interval de temperatura de canvi de fase consistent amb la temperatura d’ús segons els diferents climes i usos. (3) Segur i fiable. Les propietats químiques i físiques dels materials de canvi de fase són estables, no corrosius, inofensius, no tòxics i no inflamables. (4) Conductivitat tèrmica. El material de canvi de fase ha de tenir una gran conductivitat tèrmica adequada, alta sensibilitat i poder absorbir i alliberar calor ràpidament. (5) Procés de transició de fases. El procés de canvi de fase ha de ser completament reversible i només relacionat amb la temperatura. (6) Canvis de volum. Quan la fase canvia, el canvi de volum és petit. (7) Pressió de canvi de fase. La pressió de vapor corresponent a la temperatura de treball del material de canvi de fase ha de ser relativament baixa. (8) Estabilitat de la transició de fase. Després de canvis de fase repetits, el rendiment de l’emmagatzematge de calor disminueix poc. (9) Densitat de transició de fase. La densitat de les dues fases del material de canvi de fase ha de ser el més gran possible, de manera que es redueixi el cost del contenidor. (10) Supercooling de canvi de fase. Petit refredament i alta taxa de creixement de cristalls. (11) Econòmicament viable.
En el procés de desenvolupament real, és molt difícil trobar materials de canvi de fase que compleixin aquestes condicions ideals. Per tant, la gent sol considerar primer la temperatura de transició de fase i la calor de transició de fase adequades i, a continuació, consideren diversos factors integrals que afecten la investigació i les aplicacions.
(2) Tipus de materials de control de temperatura de canvi de fase
Fins ara, hi ha més de 500 materials de termoregulació (PCM) de canvi de fase d’un sol tipus que s’han desenvolupat i aplicat, així com materials de termoregulació de canvi de fase compostos i qualitatius amb característiques de canvi de fase úniques desenvolupades i aplicades mitjançant la tecnologia composta. Els tipus de materials reguladors de temperatura per canvi de fase actualment desenvolupats i aplicats són: ①Diferents classificacions segons la temperatura d’emmagatzematge de calor dels materials: Segons l’interval de temperatura de canvi de fase, els materials reguladors de temperatura de canvi de fase es poden dividir en tres grans materials de canvi de fase: alta temperatura, temperatura mitjana i baixa temperatura. Els materials de canvi de fase a alta temperatura es refereixen principalment a algunes sals foses i materials d'aliatge metàl·lic; els materials de canvi de fase a temperatura mitjana es refereixen principalment a algunes sals cristal·lines hidràuliques, materials orgànics i polimèrics; els materials de canvi de fase a baixa temperatura es refereixen principalment a materials com el gel i l’hidrogel. ②Diferents classificacions segons la forma de canvi de fase del material: els materials de control de temperatura de canvi de fase es poden dividir en quatre categories: canvi de fase sòlid-sòlid, canvi de fase sòlid-líquid, canvi de fase sòlid-gas i material de canvi de fase líquid-gas. Entre ells, el material d'emmagatzematge de calor de canvi de fase sòlid-sòlid no experimenta un canvi de fase, però canvia la forma cristal·lina del material de canvi de fase. Per descomptat, la calor també s’absorbeix i s’allibera durant el procés de canvi de forma cristal·lina. ③ Classificat segons la composició química del material: material de canvi de fase inorgànic (I-PCM), material de canvi de fase orgànic (O-PCM), material de canvi de fase compost (C-PCM) i material de canvi de fase qualitatiu (Q-PCM).
A continuació es descriu els materials de canvi de fase per classificació de la composició química:
A. Materials de regulació de la temperatura del canvi de fase inorgànic: els materials de canvi de fase inorgànics inclouen principalment substàncies inorgàniques com la sal cristal·lina hidratada, la sal fosa i l’aliatge metàl·lic. Les més típiques són les sals hidratades cristal·lines, que tenen una gran calor de fusió i un punt de fusió fix. La seva essència es refereix a la temperatura a la qual s’elimina l’aigua cristal·lina i l’aigua cristal·lina eliminada pot dissoldre la sal i absorbir la calor. Quan es baixa la temperatura, es produeix el procés invers, que absorbeix aigua cristal·lina i exotèrmica. El mecanisme de transició de fase s’expressa de la següent manera: AB · mH2O → AB + mH2O + Q, AB · mH2O → AB · pH2O + (mp) H2O + Q, on m i p són el nombre d’aigua cristal·lina i Q és la calor de fusió.
Les substàncies d’aquest tipus més utilitzades són els hidrats de halurs, sulfats, fosfats, nitrats, acetats i carbonats de metalls alcalins i alcalinoterris, i els representatius són: Na2SO4 · 10H2O, Mg (NO3) 2 · 6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2 · 6H2O, CaBr2 · 6H2O, Zn (NO3) 2 · 6H2O, NH4Al (SO4) 2 · 12H2O, Na2S2O3 · 5H2O, etc.
B. Materials de control de temperatura per canvi de fase orgànica
Aquests materials de canvi de fase s’utilitzen habitualment: parafina, àcids carboxílics, hidrocarburs alifàtics superiors, àcids grassos o els seus esters o sals, alcohols, hidrocarburs aromàtics, cetones aromàtiques, amides, freons i àcids polihidroxi-carbònics, etc .; A més, les macromolècules inclouen: poliolefines, polipoliols, polienols, àcids polienoics, poliamides i altres macromolècules.
C. Materials de control de temperatura de canvi de fase compost
Els materials de control de temperatura de canvi de fase compost es refereixen principalment a sistemes mixtos generals o sistemes eutèctics de compostos binaris o múltiples amb propietats similars, materials de canvi de fase sòlid-líquid amb forma estable i materials de canvi de fase compostos inorgànics i orgànics. Els materials de canvi de fase compost tenen generalment dues formes: un és una barreja de materials de canvi de fase; l’altre és un material de canvi de fase amb forma. Tot i que la barreja dels dos materials de canvi de fase és senzilla de fabricar, té els desavantatges dels materials de canvi de fase generals, com ara la necessitat d’encapsulació, que és propensa a les fuites i no és segura d’utilitzar.
D. Materials de control de temperatura de canvi de fase qualitatius
Aquest tipus de material de control de temperatura de canvi de fase és un material mixt de control de temperatura compost per material de canvi de fase i polímer. El material de canvi de fase sol ser àcid orgànic de parafina, etc. El material polimèric és generalment HDPE (polietilè d’alta densitat, que té un punt de fusió més alt, com a suport), aquest últim s’utilitza com a material de suport i segellat per contenir la fase. canviar el material a cadascun dels seus microespais. Per tant, quan el material de canvi de fase experimenta un canvi de fase, el material de control de temperatura de canvi de fase qualitatiu pot mantenir una forma determinada i no es filtrarà cap material de canvi de fase.
En comparació amb els materials normals de canvi de fase, la regulació qualitativa de la temperatura del canvi de fase no requereix equips d’embalatge, cosa que redueix els costos d’embalatge i les dificultats d’embalatge, evita el risc de fuites de material, augmenta la seguretat de l’ús del material i redueix la resistència a la transferència de calor del contenidor, Que és propici per a l’intercanvi de calor entre el material de canvi de fase i el fluid de transferència de calor.
(3) Materials de regulació de la temperatura del canvi de fase utilitzats per a les fibres de teixits
Atès que el cos principal d’aquest article explica que els teixits de fibra PCM resolen principalment la temperatura i l’energia del canvi de fase que el cos humà és còmode de portar, de manera que els materials aplicables al canvi de fase (PCM) són molt limitats. Actualment, els principals PCM desenvolupats internacionalment es classifiquen de la següent manera segons el seu tipus, composició i rendiment:
MaterialMaterial de canvi de fase inorgànic (I-PCM)
Composició: com ara sal hidratada Na2HPO4 · 12H2O, CaCl2 · 6H2O, Na2SO4 · 10H2O, etc. El seu rendiment: temperatura inferior a 35 ℃; energia 120J / g ～ 300J / g; marca cíclica {{14}}; marca de resposta ++; les característiques són de baix preu, alta densitat d’emmagatzematge de calor, gran conductivitat tèrmica; el problema és la concentració d’energia i el subenfredament Gran rendiment fàcil d’emmagatzemar calor, fàcil de separar.
MaterialsMaterials de canvi de fase orgànics (O-PCM)
A. Composició: hidrocarbur de parafina, greixos orgànics CnH2n+2, CnH2nO2, etc. El seu rendiment: temperatura 18 ℃ ～ 40 ℃; energia 200J / g ～ 300J / g; marca de ciclicitat +++; marca de resposta ++; la característica és que la calor de fusió és gran, però és freda i no precipita; el problema és que la conductivitat tèrmica és petita, la densitat és petita.
B. Composició: poliols: PG, NPG, PEG, etc. El seu rendiment: temperatura 24 ℃ ～ 40 ℃; energia 100J / g ～ 300J / g; marca de cicle ++++; marca de resposta ++; les característiques són deformació i subrefredament reduïts, alta eficiència tèrmica, llarga vida útil; el problema és que l’alta temperatura és el vidre de plàstic, fàcil de pèrdua volàtil.
MaterialMaterial de canvi de fase compost (C-PCM)
Composició: compost inorgànic, orgànic, material compost d’emmagatzematge d’energia (CESM), etc. El seu rendiment: temperatura -140 ℃ ～ 670 ℃; energia 100J / g ～ 500J / g; marcatge cíclic ++++; marcatge sensible ++++; característiques d’alta densitat d’emmagatzematge d’energia, transferència ràpida de calor, processament estable i fàcil.
(4) Mètodes d'assaig per a l'estabilitat de la regulació de la temperatura dels materials de canvi de fase
L’estabilitat de la regulació de la temperatura és el requisit previ principal per a l’ús de materials de canvi de fase en tèxtils de fibra, especialment l’estabilitat de regulació de la temperatura dels materials de canvi de fase compostos (C-PCM) i els materials de canvi de fase qualitatius (Q-PCM). A continuació s’introdueix un canvi de fase. El mètode de prova per a l'estabilitat dels materials compostos reguladors de temperatura inclou els procediments següents:
①Preparar mostres: dispersar el pes estàndard del material compost regulador de la temperatura de canvi de fase de manera uniforme a la zona de prova del material compost compost regulador de la temperatura de canvi de fase al centre del paper de filtre estàndard per preparar la mostra que es vol provar;
②Forneu la mostra: traslladeu la mostra a provar al forn i coeu-la a una temperatura constant de 40 ℃ ～ 50 ℃ durant 5-12 hores i, a continuació, traieu la mostra de prova;
③Observació de la mostra: observeu l'exsudació del component de fluid de treball regulador de la temperatura de canvi de fase fora de l'àrea de prova del material compost compost de regulació de la temperatura de canvi de fase del paper de filtre i mesureu els diàmetres màxim i mínim del cercle d'exsudació format fora l'àrea de prova. El diàmetre mitjà del cercle d'exsudació es calcula pel diàmetre màxim i el diàmetre mínim del cercle d'exsudació.