Inteligentna vlakna i tekstil za regulaciju temperature visoko su tehnološki proizvodi koji su se brzo razvili 1990-ih i puni su vitalnosti. Ne samo da može poboljšati udobnost odjeće, već ima i visoku dodanu vrijednost i može postići visoke prednosti. Stalnim uvođenjem visoke i nove tehnologije u ovo područje, povećali su se zahtjevi ljudi&za vrhunskom odjećom i funkcionalnošću. Razvoj nove vrste inteligentnih vlakana s regulacijom temperature s promjenom faze ima dobre izglede za razvoj i široke izglede za primjenu.
Povijest razvoja inteligentnih vlakana za regulaciju temperature s promjenom faze
Vlakna s faznom promjenom vrsta su funkcionalnih vlakana za pohranu topline i regulaciju temperature, razvijena korištenjem karakteristika otpuštanja ili apsorpcije latentne topline i održavanja temperature konstantnom tijekom fazne promjene materijala.
Istraživanje inteligentnih vlakana za regulaciju temperature s promjenom faze nastalo je u Sjedinjenim Državama 1980-ih. Prvo inteligentno vlakno za regulaciju temperature na bazi akrilnih vlakana razvijeno u istraživačkom projektu Nacionalne uprave za zrakoplovstvo i svemir dobiveno je dodavanjem mikrokapsula presvučenih parafinskim ugljikovodikom od materijala za promjenu faze u otopinu za predenje akrilnih vlakana. Jakne razvijene mjesečnim planom za astronautsku odjeću i zaštitu preciznih instrumenata u svemirskim pokusima uspješno su razvijene 1988. godine i prvi put korištene u komercijalnu upotrebu 1994. 1997. godine, Američka svemirska agencija osnovala je Gateway, tvrtku specijaliziranu za razvoj i istraživanje inteligentnih vlakana za regulaciju temperature. Vlakna na bazi akrilnih vlakana Outlast registrirana su kao outlast, koja su razvijena za opću odjeću i prodavala su se na američkom i europskom tržištu. Od tada su njemačka tvrtka Kelheim Fiber Company i tvrtka Outlast surađivale na razvoju vlakana viskoze Outlast. Zapravo se dobiva dodavanjem mikrokapsula materijala s promjenom faze u otopinu za predenje viskoznih vlakana. Njegov učinak toplinske izolacije doseže 42,5% i patentiran je. .
Trenutno se materijali za promjenu faze koriste kao razvoj i primjena inteligentnih vlakana za regulaciju temperature s promjenom faze. Sjedinjene Države i Švicarska zrelije su u stranim zemljama. Vlakna za kontrolu temperature koja proizvode uglavnom su tehnologija predenja u mikrokapsulama; Europa i Japan također imaju istraživanja na ovom području. . Njemačka je prva uspješno razvila materijale za završnu obradu mikrokapsula za pohranu topline natrijevog sulfata; kasnije je razvio tkanine ispunjene otapalima i inertnim plinovima u šupljim vlaknima. Reprezentativna tehnologija Japana&# 39 je mikrokapsulna suspenzija gnojnice koju je razvila Daiwa Chemical Industry.
Vrsta regulacije temperature vlaknaste tkanine
(1) Jednosmjerna vlakna za regulaciju temperature
Ova vrsta vlakana ima jednu funkciju regulacije temperature, koja može povećati ili smanjiti temperaturu. Jedno su grijaća vlakna EKS i Softwarm proizvođača Japan Toyobo Co., Ltd .; druga su lanena vlakna i žadna vlakna s funkcijom hlađenja. Budući da imaju samo jednosmjerni učinak regulacije temperature, ova vlakna imaju očite nedostatke. Stoga, kada je smjer promjene temperature okoliša suprotan smjeru podešavanja temperature, on neće dobro funkcionirati, pa čak i uzrokovati negativne posljedice.
(2) Dvosmjerna vlakna za regulaciju temperature
Materijali za faznu promjenu (materijali za faznu promjenu, koji se nazivaju PCM) koji mogu samostalno prilagoditi hladno i vruće okruženje, imaju dvosmjernu funkciju prilagodbe temperature i prilagodljivosti. Kroz proizvodnju i preradu PCM se u matricu vlakana dodaju u određenom tehnološkom obliku. Kada se postigne promjena faze na temperaturi, može aktivno spriječiti prekomjerne temperaturne oscilacije u odjeći prekidnim zagrijavanjem. Energija procesa fazne promjene pohranjuje se u materijalu za faznu promjenu kako bi se povećao njegov toplinski kapacitet; kad temperatura okoline padne, inteligentno će osloboditi svoju pohranjenu energiju i može se više puta koristiti u okruženju oscilacija temperature, pa se naziva&"; Pametna termostatska transformacija vlakana (STFT) &".
STFT' s mehanizam promjene faze i princip regulacije temperature
STFT se naziva i klimatizacijskim vlaknima. Mehanizam fazne promjene STFT odnosi se na činjenicu da je pod određenim uvjetima, kada je temperatura određenih tvari u osnovi nepromijenjena i fazno stanje promijenjeno, latentna toplina fazne promjene mnogo je veća od osjetne topline fazne promjene. Inteligentno vlakno za prilagodbu temperature s promjenom faze nova je vrsta vlakana koja koristi promjenu faze materijala za oslobađanje ili apsorpciju latentne topline kako bi temperatura bila konstantna. Promjena faze uglavnom se očituje kao prijelaz između tekućine i krutine ili promjena faze kristalno kristalne, kristalno tekuće i molekularne agregacijske strukture u krutini, a toplinska energija održava temperaturu.
(1) Mehanizam faznog prijelaza STFT
Razlika između inteligentne tkanine s regulacijom temperature s promjenom faze i tradicionalne tkanine od vlakana leži u različitom mehanizmu očuvanja topline. Tradicionalna odjeća za toplinsku izolaciju uglavnom koristi metode toplinske izolacije kako bi se izbjeglo prekomjerno smanjenje temperature kože, dok je mehanizam toplinske izolacije vlakana za promjenu faze neosjetljiv na deformacije, vlagu i zračni tlak te se ne osjeća previše zagušljivo ili teško. Ljudskom tijelu može pružiti ugodnu mikroklimu. okruženje. Razlog je taj što PCM-ovi pružaju toplinsku regulaciju, a ne toplinsku izolaciju. Realizacija ovog mehanizma fazne promjene i mehanizma prilagodbe temperature je da se u toplinskom okruženju, kada se postigne temperatura topljenja medija za promjenu faze, kristal medija promjene faze mijenja, a njegov molekularni lanac prevladava intermolekularnu silu, molekularnu udaljenost se povećava, a kristal se topi, vlakno upija toplinu; kada vlakno uđe u hladno okruženje iz vrućeg, kada je temperatura niža od točke kristalizacije medija za promjenu faze, molekularni lanci u mediju za promjenu faze redovito su raspoređeni da tvore kristale, a vlakno oslobađa toplinu; Pohranjivanje energije promjenom faze Na taj način vlakna postižu svrhu regulacije temperature upijanjem i oslobađanjem topline.
(2) Načelo regulacije temperature STFT
STFT dolazi iz mehanizma promjene faze PCM-a u vlaknastom tkivu. Proces apsorpcije i oslobađanja topline je automatski, reverzibilan i neograničen. Prednosti njegovog principa regulacije temperature su: regulacija temperature radi uravnoteženja zahtjeva temperature i topline pogodna za cjelodnevnu udobnost; dobra temperaturna otpornost, pružaju učinak hlađenja; apsorbiraju višak tjelesne topline i oslobađaju je kad se temperatura površine tijela smanjuje, sprječavajući da je površina tijela prehladna.
Stoga tekstilni tekstil koji sadrži PCM održava postojanost tjelesne temperature između ljudskog tijela i vanjske okoline, bez obzira na to povećava li se ili smanjuje temperatura vanjske okoline, stvarajući tako&mikroklimatsko okruženje &; za ljudsko tijelo koje nije ni hladno ni vruće.
(3) Mjerni standard za sposobnost regulacije temperature STFT
Funkcija podešavanja temperature inteligentnog vlakna za kontrolu temperature izražava se&"; Adaptive Comfort Rating &"; Vrijednost (Adaptive Comfort Rating) koja se koristi za mjerenje sposobnosti proizvoda&# 39 da apsorbira, pohranjuje i oslobađa energiju kada je to prikladno. Što je viša razina ACR proizvoda, to je ugodniji. Vrijednost ACR-a tradicionalnih vlakana blizu je nuli i teško im je pohraniti toplinu.
Odabir prilagodbe temperature i izvedba tipa PCMs materijala
Fazni prijelaz odnosi se na pojavu da se fazno stanje određenih tvari mijenja na određenoj temperaturi. Energija apsorbirana ili oslobođena tijekom promjene faze naziva se toplina promjene faze (također se naziva latentna toplina promjene faze), a količina topline apsorbirane i oslobođene tijekom promjena temperature materijala naziva se osjetnom toplinom. U usporedbi s osjetnom toplinom, toplina s promjenom faze je mnogo veća. Stoga je odabir materijala za promjenu faze prvi korak u pripremi pametnih vlakana i tekstila za regulaciju temperature.
(1) Izbor materijala za kontrolu temperature s promjenom faze
S obzirom na posebne zahtjeve nanošenja vlakana i obrade tkanina, nema mnogo materijala za kontrolu temperature s promjenom faze koji se mogu koristiti za vlakna tkanine. Prije svega, temperatura kristalizacije (temperatura zadržavanja) materijala za promjenu faze trebala bi biti prikladna i prikladna za područje primjene. Uzimajući za primjer vlakna za pohranu energije fazne promjene, većina do sada prijavljenih vlakana za pohranu energije fazne promjene ima nedostatak previsoke temperature kristalizacije i ne mogu se dobro primijeniti na području odjevnih vlakana; drugo, obradivost vlakana za pohranu energije fazne promjene, materijali za faznu promjenu uglavnom su oligomeri, s relativno malom molekularnom težinom, te se mora uzeti u obzir njihova kemijska stabilnost, toplinska stabilnost, sposobnost predenja nakon kombiniranja s matricom vlakana itd.
Načela za provjeru materijala koji mijenjaju faze prikladni za tekstil: (1) Velika gustoća skladištenja energije. Materijal za promjenu faze trebao bi imati veći jedinični volumen, veću latentnu toplinu promjene faze po jedinici mase i veći specifični toplinski kapacitet. (2) Temperatura faznog prijelaza. Točka topljenja treba odgovarati upotrebi tekstila i odjeće, a temperaturni raspon fazne promjene u skladu s uporabnom temperaturom treba odabrati prema različitim klimatskim uvjetima i namjenama. (3) Sigurno i pouzdano. Kemijska i fizikalna svojstva materijala za promjenu faze su stabilna, nekorozivna, neškodljiva, netoksična i nezapaljiva. (4) Toplinska vodljivost. Materijal za promjenu faze trebao bi imati veliku prikladnu toplinsku vodljivost, visoku osjetljivost i biti sposoban brzo apsorbirati i ispuštati toplinu. (5) Proces faznog prijelaza. Postupak promjene faze trebao bi biti potpuno reverzibilan i povezan samo s temperaturom. (6) Promjene glasnoće. Kad se faza promijeni, promjena glasnoće je mala. (7) Tlak promjene faze. Odgovarajući tlak pare na radnoj temperaturi materijala za promjenu faze trebao bi biti relativno nizak. (8) Stabilnost faznog prijelaza. Nakon ponovljenih faznih promjena, učinak skladištenja topline se malo smanjuje. (9) Gustoća faznog prijelaza. Gustoća dviju faza materijala za promjenu faze trebala bi biti što veća kako bi se smanjili troškovi spremnika. (10) Prehlađivanje promjene faze. Malo pothlađivanje i velika brzina rasta kristala. (11) Ekonomski izvedivo.
U stvarnom procesu razvoja vrlo je teško pronaći materijale za promjenu faze koji udovoljavaju ovim idealnim uvjetima. Stoga ljudi često prvo razmotre odgovarajuću temperaturu faznog prijelaza i toplinu velikog faznog prijelaza, a zatim razmotre razne raznovrsne čimbenike koji utječu na istraživanje i primjenu.
(2) Vrste materijala za kontrolu temperature s promjenom faze
Do sada je razvijeno i primijenjeno više od 500 materijala za termoregulaciju jednofaznih promjena (PCM), kao i kompozitni i kvalitativni materijali za termoregulaciju faznih promjena s jedinstvenim karakteristikama promjene faze razvijenih i primijenjenih kompozitnom tehnologijom. Vrste materijala koji reguliraju temperaturu za promjenu faze trenutno su razvijeni i primjenjuju se: ① Različite klasifikacije prema temperaturi skladištenja topline materijala: Prema temperaturnom rasponu promjene faze, materijali za regulaciju temperature s promjenom faze mogu se podijeliti u tri glavne materijali s promjenom faze: visoka temperatura, srednja temperatura i niska temperatura. Materijali za promjenu faze s visokom temperaturom uglavnom se odnose na neke rastaljene soli i materijale od legura metala; materijali za promjenu faze srednje temperature uglavnom se odnose na neke kristalno hidratizirane soli, organske i polimerne materijale; Niskotemperaturni fazni materijali uglavnom se odnose na materijale poput leda i hidrogela. Različite klasifikacije prema obliku promjene faze materijala: Materijali za kontrolu temperature promjene faze mogu se podijeliti u četiri kategorije: promjena faze kruta-čvrsta, promjena faze čvrsto-tekuće, promjena faze kruti-plin i materijal za promjenu faze tekući-plin. Među njima, materijal za skladištenje topline za promjenu faze krutina-krutina ne prolazi kroz faznu promjenu, već se mijenja kristalni oblik materijala za promjenu faze. Naravno, toplina se također apsorbira i oslobađa tijekom procesa promjene oblika kristala. ③Klasificirano prema kemijskom sastavu materijala: materijal za anorgansku promjenu faze (I-PCM), materijal za organsku promjenu faze (O-PCM), materijal za kompozitnu promjenu faze (C-PCM) i kvalitativni materijal za promjenu faze (Q-PCM).
Slijedi opis materijala za promjenu faza prema klasifikaciji kemijskog sastava:
A. Materijali za regulaciju temperature anorganske promjene: Materijali za anorgansku promjenu faze uglavnom uključuju anorganske tvari poput kristalno hidratizirane soli, rastopljene soli i metalne legure. Najtipičnije od njih su kristalno hidratizirane soli koje imaju veliku toplinu topljenja i fiksno talište. Njegova se bit odnosi na temperaturu na kojoj se uklanja kristalna voda, a uklonjena kristalna voda može otopiti sol i apsorbirati toplinu. Kada se temperatura spusti, dolazi do obrnutog procesa, upijajući kristalnu vodu i egzotermično. Mehanizam faznog prijelaza izražava se na sljedeći način: AB · mH2O → AB + mH2O + Q, AB · mH2O → AB · pH2O + (mp) H2O + Q, gdje su m i p broj kristalne vode, a Q toplina fuzije.
Najčešće korištene supstance ove vrste su hidrati alkalijskih i zemnoalkalnih metala halogenidi, sulfati, fosfati, nitrati, acetati i karbonati, a reprezentativni su: Na2SO4 · 10H2O, Mg (NO3) 2 · 6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2 · 6H2O, CaBr2 · 6H2O, Zn (NO3) 2 · 6H2O, NH4Al (SO4) 2 · 12H2O, Na2S2O3 · 5H2O, itd.
B. Materijali za kontrolu temperature organske promjene faze
Obično se koriste takvi materijali za promjenu faze: parafin, karboksilne kiseline, viši alifatski ugljikovodici, masne kiseline ili njihovi esteri ili soli, alkoholi, aromatski ugljikovodici, aromatski ketoni, amidi, freoni i polihidroksi karbonske kiseline itd .; Uz to, makromolekule uključuju: poliolefine, polipoliole, polienole, polijenske kiseline, poliamide i druge makromolekule.
C. Materijali za kontrolu temperature kompozitnih promjena faze
Materijali za kontrolu temperature kompozitnih promjena faze uglavnom se odnose na općenito mješovite sustave ili eutektičke sustave binarnih ili višestrukih spojeva sa sličnim svojstvima, materijale za promjenu faze u krutom i tekućem stanju stabilnog oblika i anorganske i organske kompozitne materijale za promjenu faze. Kompozitni materijali za promjenu faze uglavnom imaju dva oblika: jedan je smjesa dvaju materijala za promjenu faze; drugi je oblikovani materijal za promjenu faze. Iako je miješanje dvaju materijala za promjenu faze jednostavno za proizvodnju, ima nedostataka općih materijala za promjenu faze, kao što je potreba za kapsulacijom, koja je sklona propuštanju i nije sigurna za upotrebu.
D. Kvalitativni materijali za kontrolu temperature promjene faze
Ova vrsta materijala za kontrolu temperature promjene faze je mješoviti materijal za kontrolu temperature koji se sastoji od materijala promjene faze i polimera. Materijal za promjenu faze je općenito parafinska organska kiselina, itd. Polimerni materijal je općenito HDPE (polietilen visoke gustoće, koji ima veće talište, kao nosač), a potonji se koristi kao nosač i brtveni materijal koji sadrži fazu mijenjati materijal u svakom od njegovih mikroprostora. Stoga, kada materijal za promjenu faze doživi faznu promjenu, kvalitativni materijal za kontrolu temperature promjene faze može zadržati određeni oblik i materijal za promjenu faze neće procuriti.
U usporedbi s uobičajenim materijalima za promjenu faze, za kvalitativnu regulaciju temperature promjene faze nije potrebna oprema za pakiranje, što smanjuje troškove pakiranja i poteškoće s pakiranjem, izbjegava rizik od propuštanja materijala, povećava sigurnost upotrebe materijala i smanjuje otpor spremnika na prijenos topline, Što pogoduje izmjeni topline između materijala za promjenu faze i fluida za prijenos topline.
(3) Materijali za regulaciju temperature za fazne promjene koji se koriste za vlakna tkanine
Budući da glavni dio ovog članka objašnjava da PCM vlaknasta tkanina uglavnom rješava temperaturu promjene faze i energiju koju je ljudsko tijelo ugodno nositi, pa su primjenjivi materijali za promjenu faze (PCM) vrlo ograničeni. Trenutno su glavni međunarodno razvijeni PCM-ovi klasificirani kako slijedi prema njihovoj vrsti, sastavu i izvedbi:
MaterialMaterijal za neorgansku promjenu faze (I-PCM)
Sastav: poput hidratizirane soli Na2HPO4 · 12H2O, CaCl2 · 6H2O, Na2SO4 · 10H2O, itd. Njegova izvedba: temperatura ispod 35 ℃; energija 120J / g ～ 300J / g; ciklična oznaka {{14}}; oznaka odgovora ++; karakteristike su niska cijena, velika gustoća skladištenja topline, velika toplinska vodljivost; problem je koncentracija energije i pothlađenje Veliko, lako se odvaja, loše performanse skladištenja topline.
MaterialsOrganski materijali za promjenu faze (O-PCM)
A. Sastav: parafinski ugljikovodik, organska masnoća CnH2n+2, CnH2nO2 itd. Njegova izvedba: temperatura 18 ℃ ～ 40 ℃; energija 200J / g ～ 300J / g; oznaka cikličnosti +++; znak odziva ++; karakteristika je da je toplina topljenja velika, ali je hladna i ne precipitira; problem je što je toplinska vodljivost mala, gustoća je mala.
B. Sastav: Polioli: PG, NPG, PEG, itd. Njegova izvedba: temperatura 24 ℃ ～ 40 ℃; energija 100J / g ～ 300J / g; oznaka ciklusa ++++; oznaka odgovora ++; karakteristike su mala deformacija i pothlađivanje, visoka toplinska učinkovitost, dug životni vijek; problem je što je visoka temperatura plastični kristal, lako hlapiv gubitak.
③Kompozitni materijal za promjenu faze (C-PCM)
Sastav: anorganski, organski kompozit, kompozitni materijal za pohranu energije (CESM) itd. Njegova izvedba: temperatura -140 ℃ ～ 670 ℃; energija 100J / g ～ 500J / g; ciklično označavanje ++++; odgovarajuća oznaka ++++; karakteristike velike gustoće skladištenja energije, brzog prijenosa topline, stabilne, jednostavne obrade.
(4) Ispitne metode za regulaciju temperature stabilnosti materijala s promjenom faze
Stabilnost regulacije temperature primarni je preduvjet za upotrebu materijala za promjenu faze u tekstilu od vlakana, posebno stabilnost regulacije temperature kompozitnih materijala za promjenu faze (C-PCM) i kvalitativnih materijala za promjenu faze (Q-PCM). Promjena faze predstavljena je u nastavku. Metoda ispitivanja stabilnosti kompozitnih materijala koji reguliraju temperaturu uključuje sljedeće postupke:
①Pripremite uzorke: Standardnu težinu kompozitnog materijala koji regulira temperaturu s promjenom faze ravnomjerno raspršite u ispitnom području kompozitnog materijala koji regulira temperaturu s promjenom faze u sredini standardnog filtarskog papira kako biste pripremili uzorak za ispitivanje;
KePecite uzorak: premjestite uzorak koji se ispituje u pećnicu i pecite ga na konstantnoj temperaturi od 40 ℃ ～ 50 ℃ 5-12 sati, a zatim izvadite test uzorak;
Promatranje uzorka: Promatrajte izlučivanje komponente radne tekućine za regulaciju temperature koja regulira temperaturu izvan područja ispitivanja kompozitnog materijala koji regulira temperaturu za promjenu faze i izmjerite maksimalni i najmanji promjer kruga izlučivanja nastalog izvan ispitnom području. Prosječni promjer kruga izlučivanja izračunava se prema maksimalnom promjeru i minimalnom promjeru izlučnog kruga.