Intelligenta temperaturreglerande fibrer och textilier är högteknologiska produkter som utvecklades snabbt på 1990-talet och är fulla av vitalitet. Det kan inte bara förbättra komforten för kläderna utan har också högt mervärde och kan uppnå höga fördelar. Med den kontinuerliga introduktionen av hög och ny teknik inom detta område har människors&krav på avancerade kläder och funktionalitet ökat. Utvecklingen av en ny typ av fasförändrings intelligent temperaturreglerande fiberduk har goda utvecklingsmöjligheter och breda användningsmöjligheter.
Utvecklingshistoriken för fasförändring intelligent temperaturreglerande fiber
Fasförändringsfiber är ett slags värmelagrings- och temperaturregleringsfiber utvecklat genom att använda egenskaperna för att släppa eller absorbera latent värme och hålla temperaturen konstant under fasförändringen av materialet.
Forskningen om intelligenta temperaturreglerande fibrer med fasförändring har sitt ursprung i USA på 1980-talet. Den första Outlast akrylfiberbaserade intelligenta temperaturreglerande fibern utvecklad av National Aeronautics and Space Administration forskningsprojekt erhölls genom att tillsätta mikrokapslar belagda med fasförändringsmaterial paraffinkolväte till den akrylfiberspinnande lösningen. Jackorna som utvecklades av månadsplanen för astronautkläder och skydd av precisionsinstrument i rymdexperiment utvecklades framgångsrikt 1988 och användes för kommersiellt bruk för första gången 1994. 1997 grundade US Space Agency Gateway, ett företag specialiserat på utveckling och forskning av intelligenta temperaturreglerande fibrer. Outlast akrylfiberbaserad fiber registrerades som outlast, som utvecklades för allmänna kläder och såldes på de amerikanska och europeiska marknaderna. Sedan dess har tyska Kelheim Fibre Company och Outlast Company samarbetat för att utveckla Outlast viskosfiber. I själva verket erhålls det genom att tillsätta mikrokapslar med fasförändringsmaterial till den roterande lösningen av viskosfiber. Dess värmeisoleringseffekt når 42,5% och har patenterats. .
För närvarande används fasändringsmaterial som utveckling och tillämpning av intelligenta temperaturkontrollfibrer för fasändring. USA och Schweiz är mer mogna i utlandet. De temperaturkontrollfibrer som de producerar är huvudsakligen spinnteknologi för mikrokapslar; Europa och Japan har också forskning inom detta område. . Tyskland var den första som framgångsrikt utvecklade natrium sulfat värmeförvaring mikrokapsel efterbehandlingsmaterial; senare utvecklade det tyger fyllda med lösningsmedel och inerta gaser i ihåliga fibrer. Japans' s representativa teknik är mikrokapseluppslamningsbeläggningen utvecklad av Daiwa Chemical Industry.
Typ av temperaturreglering av fiberduk
(1) Enkelriktad temperaturreglerande fiber
Denna typ av fiber har en enda temperaturregleringsfunktion som kan öka eller sänka temperaturen. Den ena är värmefibern EKS och Softwarm producerad av Japan Toyobo Co., Ltd. den andra är linfiber och jadefiber med kylfunktion. Eftersom de bara har en enkelriktad temperaturregleringseffekt har dessa fibrer uppenbara brister. Därför, när riktningen för förändring av omgivningstemperaturen är motsatt riktningen för temperaturjustering, kommer den inte att fungera bra och till och med orsaka negativa konsekvenser.
(2) Tvåvägs temperaturreglerande fiber
Fasbytarmaterial (Fasbytningsmaterial, kallade PCM) som oberoende kan justera de kalla och heta miljöerna, har tvåvägs temperaturjusterings- och anpassningsfunktioner. Genom produktion och bearbetning läggs PCM till fibermatrisen i en viss teknisk form. När fasförändringen uppnås vid temperatur kan den aktivt förhindra överdrivna temperatursvängningar i kläderna genom diskontinuerlig uppvärmning. Fasen för fasändringsprocessen lagras i fasändringsmaterialet för att öka dess värmekapacitet; när den omgivande temperaturen sjunker kommer den att släppa sin lagrade energi och kan användas upprepade gånger i en temperaturoscillationsmiljö, så den kallas" Smart termostat fiber transformation (STFT)" ;.
STFT' s fasförändringsmekanism och temperaturregleringsprincip
STFT kallas också luftkonditioneringsfiber. Fasändringsmekanismen för STFT hänvisar till det faktum att under vissa förhållanden, när temperaturen hos vissa ämnen i princip är oförändrad och fastillståndet förändras, är den latenta värmen för fasförändringen mycket större än den förnuftiga värmen för fasförändringen. Fasförändring intelligent temperaturjusterande fiber är en ny typ av fiber som använder materialfasförändring för att frigöra eller absorbera latent värme för att hålla temperaturen konstant. Fasförändringen manifesteras huvudsakligen som övergången mellan vätska och fast ämne, eller förändringen av kristallkristall-, kristall-vätske- och molekylaggregationsstrukturfasen i det fasta ämnet, och värmeenergin bibehåller temperaturen.
(1) Fasövergångsmekanism för STFT
Skillnaden mellan fasförändrings intelligent temperaturreglerande fiberduk och traditionell fiberväv ligger i den olika värmebevarande mekanismen. Traditionella kläder för värmeisolering använder huvudsakligen värmeisoleringsmetoder för att undvika överdriven minskning av hudtemperaturen, medan den termiska isoleringsmekanismen för fasförändringsfibrer är okänslig för deformation, fukt och lufttryck och känns inte för täppt eller tungt. Det kan ge människokroppen ett bekvämt mikroklimat. miljö. Anledningen är att PCM: er ger termisk reglering, inte värmeisolering. Förverkligandet av denna fasförändringsmekanism och temperaturjusteringsmekanism är att i en termisk miljö, när fasförändringsmediets smältningstemperatur uppnås, ändras kristallen för fasförändringsmediet och dess molekylära kedja övervinner den intermolekylära kraften, den molekylära avståndet ökar, och kristallsmältningen absorberar fibern värme; när fibern kommer in i en kall miljö från en het miljö, när temperaturen är lägre än kristalliseringspunkten för fasändringsmediet, är de molekylära kedjorna i fasändringsmediet ordnade regelbundet för att bilda kristaller och fibern frigör värme; fasförändring energilagring På detta sätt uppnår fibern syftet med temperaturreglering genom att absorbera och släppa ut värme.
(2) Principen för temperaturreglering av STFT
STFT kommer från PCM: s fasförändringsmekanism i fibertyget. Processen för värmeabsorption och värmeutsläpp är automatisk, reversibel och obegränsad. Fördelarna med dess temperaturregleringsprincip är: temperaturkontroll för att balansera temperaturen och värmekraven som är lämpliga för komfort hela dagen; bra temperaturmotstånd, ger en kylningseffekt; absorbera överskott av kroppsvärme och släpp den när kroppstemperaturen sjunker, vilket förhindrar kroppsytan.
Därför upprätthåller fibertextilier som innehåller PCM kroppens temperatur konstant mellan människokroppen och den yttre miljön oavsett om den yttre omgivningstemperaturen ökar eller minskar, vilket skapar en" mikroklimatmiljö" för människokroppen som varken är kall eller varm.
(3) Mätstandarden för STFT-temperaturregleringsförmåga
Temperaturjusteringsfunktionen för den intelligenta temperaturkontrollfibern uttrycks av" Adaptiv komfortbetyg" (Adaptive Comfort Rating) -värde, som används för att mäta produktens&# 39: s förmåga att absorbera, lagra och släppa energi när så är lämpligt. Ju högre ACR-nivå för produkten, desto bekvämare är den. ACR-värdet för traditionella fibrer är nära noll och det är svårt för dem att lagra värme.
Valet av temperaturjustering och typ av PCM-material
Fasövergång hänvisar till fenomenet att fasämnet hos vissa ämnen förändras vid en viss temperatur. Den energi som absorberas eller frigörs under fasförändring kallas fasförändringsvärme (även kallad latent värme för fasförändring) och mängden värme som absorberas och frigörs under materialtemperaturförändringar kallas förnuftig värme. Jämfört med förnuftig värme är fasförändringsvärmen mycket större. Därför är valet av fasförändringsmaterial det första steget för att förbereda smarta temperaturreglerande fibrer och textilier.
(1) Val av material för fasändringstemperaturreglering
Med tanke på de speciella kraven för fiberapplikation och tygbearbetning finns det inte många temperaturförändringsmaterial för fasändring som kan användas för tygfibrer. Först och främst bör fasändringsmaterialets kristallisationstemperatur (hålltemperatur) vara lämplig och lämplig för applikationsområdet. Om man tar ett fasförändringsenergilagringsfiber som ett exempel har de flesta av de fasförändringsenergilagringsfibrer som hittills rapporterats nackdelen med för hög kristallisationstemperatur, och de kan inte användas väl inom klädfibrerna; för det andra måste bearbetbarheten hos lagringsfiber för fasförändringsenergi, fasändringsmaterial mestadels oligomerer, med relativt låg molekylvikt, och deras kemiska stabilitet, termisk stabilitet, spinnbarhet efter att ha kombinerats med fibermatrisen etc. måste beaktas.
Principer för screening av fasändringsfibermaterial som är lämpliga för textilier: (1) Hög energilagringstäthet. Fasändringsmaterialet bör ha en högre volymsenhet, en högre latent fasvärmevärde per enhetsmassa och en större specifik värmekapacitet. (2) Fasövergångstemperatur. Smältpunkten bör uppfylla användningen av textilier och kläder, och temperaturomfånget för fasförändring som överensstämmer med användningstemperaturen bör väljas enligt olika klimat och användningsområden. (3) Säker och pålitlig. De kemiska och fysikaliska egenskaperna hos fasändringsmaterial är stabila, icke-frätande, ofarliga, giftfria och icke brandfarliga. (4) Värmeledningsförmåga. Fasförändringsmaterialet bör ha en stor lämplig värmeledningsförmåga, hög känslighet och kunna absorbera och släppa ut värme snabbt. (5) Fasövergångsprocess. Fasförändringsprocessen bör vara helt reversibel och endast relaterad till temperatur. (6) Volymändringar. När fasen ändras är volymförändringen liten. (7) Fasändringstryck. Motsvarande ångtryck vid fasändringsmaterialets arbetstemperatur bör vara relativt lågt. (8) Fasövergångsstabilitet. Efter upprepade fasändringar försämras värmelagringsprestandan lite. (9) Fasövergångstäthet. Densiteten hos de två faserna i fasbytesmaterialet bör vara så stor som möjligt för att minska kostnaden för behållaren. (10) Superkylning för fasändring. Liten underkylning och hög kristalltillväxt. (11) Ekonomiskt genomförbart.
I själva utvecklingsprocessen är det mycket svårt att hitta fasförändringsmaterial som uppfyller dessa idealiska förhållanden. Därför överväger människor ofta först lämplig fasövergångstemperatur och storfasövergångsvärme och sedan överväger olika omfattande faktorer som påverkar forskning och applikationer.
(2) Typer av temperaturkontrollmaterial för fasändring
Hittills finns det mer än 500 fasreglermaterial (PCM) för enstaka fasändringar som har utvecklats och tillämpats, liksom komposit- och kvalitativt fasreglermaterial med unika fasförändringsegenskaper som utvecklats och tillämpats genom kompositteknik. De typer av fasregleringstemperaturreglerande material som för närvarande utvecklas och tillämpas är: ①Olika klassificeringar beroende på materialens värmelagringstemperatur: Enligt fasändringstemperaturområdet kan fasförändringstemperaturreglerande material delas in i tre huvud fasförändringsmaterial: hög temperatur, medeltemperatur och låg temperatur. Fasförändringsmaterial vid hög temperatur avser främst vissa smälta salter och metalllegeringsmaterial; fasförändringsmaterial vid medeltemperatur hänför sig huvudsakligen till vissa kristallhydrerade salter, organiska ämnen och polymermaterial; fasändringsmaterial vid låg temperatur hänför sig främst till material som is och hydrogel. ② Olika klassificeringar enligt formen av materialfasförändring: Fasändringstemperaturreglermaterial kan delas in i fyra kategorier: fast-fast fasförändring, fast-vätske-fasförändring, fast-gas-fasförändring och vätske-gas-fasändringsmaterial. Bland dem genomgår det fasta-fasta fasändringsvärmelagringsmaterialet ingen fasförändring, utan kristallformen av fasändringsmaterialet förändras. Naturligtvis absorberas värme också och frigörs under kristallformsförändringsprocessen. ③Klassificerat enligt materialets kemiska sammansättning: oorganiskt fasbytesmaterial (I-PCM), organiskt fasbytesmaterial (O-PCM), sammansatt fasbytesmaterial (C-PCM) och kvalitativt fasändringsmaterial (Q-PCM).
Följande är en beskrivning av fasförändringsmaterial genom kemisk sammansättningsklassificering:
A. Oorganiska fasförändringstemperaturreglerande material: Oorganiska fasförändringsmaterial innefattar huvudsakligen oorganiska ämnen såsom kristallint hydratiserat salt, smält salt och metalllegering. Det mest typiska av dessa är kristallina hydrerade salter, som har en stor fusionsvärme och en fast smältpunkt. Dess väsen avser den temperatur vid vilken kristallvattnet avlägsnas och det borttagna kristallvattnet kan lösa upp saltet och absorbera värme. När temperaturen sänks sker den omvända processen, absorberar kristallvatten och exoterm. Fasövergångsmekanismen uttrycks enligt följande: AB · mH2O → AB + mH2O + Q, AB · mH2O → AB · pH2O + (mp) H2O + Q, där m och p är antalet kristallvatten och Q är fusionsvärmen.
De vanligaste ämnena av denna typ är hydrater av alkalimetall- och jordalkalimetallhalogenider, sulfater, fosfater, nitrater, acetater och karbonater, och de representativa är: Na2SO4 · 10H2O, Mg (NO3) 2 · 6H2O, MgCl2 6H20, CaCl2, 6H20, CaBr2, 6H20, Zn (NO3) 2, 6H20, NH4Al (SO4) 2, 12H20, Na2S2O3, 5H20, etc.
B. Organiska fasändringsmaterial för temperaturkontroll
Sådana fasförändringsmaterial används vanligen: paraffin, karboxylsyror, högre alifatiska kolväten, fettsyror eller deras estrar eller salter, alkoholer, aromatiska kolväten, aromatiska ketoner, amider, freoner och polyhydroxikolsyra, etc .; Dessutom innefattar makromolekyler: polyolefiner, polypolyoler, polyenoler, polyenoesyror, polyamider och andra makromolekyler.
C. Temperaturkontrollmaterial för sammansatt fasförändring
Kompositfasändringstemperaturreglermaterial hänför sig huvudsakligen till allmänna blandade system eller eutektiska system av binära eller flera föreningar med liknande egenskaper, fast-vätskefasändringsmaterial med stabil form och oorganiska och organiska kompositfasändringsmaterial. Kompositfasförändringsmaterial har i allmänhet två former: en är en blandning av tvåfasförändringsmaterial; den andra är ett format fasförändringsmaterial. Även om blandningen av de två fasändringsmaterialen är enkel att tillverka, har den nackdelarna med allmänna fasförändringsmaterial, såsom behovet av inkapsling, vilket är benäget att läcka och är osäkert att använda.
D. Kvalitativa temperaturförändringsmaterial för fasändring
Denna typ av fasändrings temperaturkontrollmaterial är ett blandat temperaturkontrollmaterial bestående av fasändringsmaterial och polymer. Fasförändringsmaterialet är i allmänhet organisk syra av paraffin, etc. Polymermaterialet är i allmänhet HDPE (högdensitetspolyeten, som har en högre smältpunkt, Som bärare), används det senare som ett bärar- och tätningsmaterial för att innehålla fasen ändra material i vart och ett av dess mikroutrymmen. Därför, när fasförändringsmaterialet genomgår en fasförändring, kan det kvalitativa fasändrings temperaturkontrollmaterialet bibehålla en viss form och inget fasförändringsmaterial läcker ut.
Jämfört med vanliga fasändringsmaterial kräver kvalitativ reglering av fasändringstemperaturen inte förpackningsutrustning, vilket minskar förpackningskostnaderna och förpackningssvårigheterna, undviker risken för materialläckage, ökar säkerheten vid materialanvändning och minskar behållarens värmeöverföringsmotstånd. Vilket bidrar till värmeväxlingen mellan fasändringsmaterialet och värmeöverföringsvätskan.
(3) Fasändringstemperaturreglerande material som används för tygfibrer
Eftersom huvuddelen i denna artikel förklarar att PCM-fibertyg huvudsakligen löser fasförändringstemperaturen och energin som människokroppen är bekväm att bära, så de tillämpliga fasändringsmaterialen (PCM) är mycket begränsade. För närvarande klassificeras de viktigaste internationellt utvecklade PCM: erna enligt deras typ, sammansättning och prestanda:
Organ Oorganiskt fasändringsmaterial (I-PCM)
Sammansättning: såsom hydratiserat salt Na2HPO4 · 12H2O, CaCl2 · 6H2O, Na2SO4 · 10H2O, etc. Dess prestanda: temperatur under 35 ℃; energi 120J / g ～ 300J / g; cykliskt märke {{14}}; responsivt märke ++; egenskaper är lågt pris, hög värmelagringstäthet, stor värmeledningsförmåga; problemet är energikoncentration och underkylning. Stor, lätt att skilja ut, dålig värmelagringsprestanda.
MaterialsOrganiska fasförändringsmaterial (O-PCM)
A. Sammansättning: paraffinkolväte, organiskt fett CnH2n+2, CnH2nO2, etc. Dess prestanda: temperatur 18 ℃ ～ 40 ℃; energi 200J / g ～ 300J / g; cykliseringsmärke +++; svarsmärke ++; kännetecknet är att fusionsvärmen är stor, men den är kall och utfälls inte; problemet är att värmeledningsförmågan är liten, densiteten är liten.
B. Sammansättning: Polyoler: PG, NPG, PEG, etc. Dess prestanda: temperatur 24 ℃ ～ 40 ℃; energi 100J / g ～ 300J / g; cykelmärke ++++; responsivt märke ++; egenskaper är liten deformation och underkylning, hög värmeeffektivitet, lång livslängd; problemet är hög temperatur är plastkristall, lätt till flyktig förlust.
③Sammansatt fasbytesmaterial (C-PCM)
Sammansättning: oorganisk, organisk komposit, energilagringskompositmaterial (CESM) etc. Dess prestanda: temperatur -140 ℃ ～ 670 ℃; energi 100J / g ～ 500J / g; cyklisk märkning ++++; responsiv märkning ++++; egenskaper med hög energilagringstäthet, snabb värmeöverföring, stabil, enkel bearbetning.
(4) Testmetoder för temperaturregleringsstabilitet hos fasändringsmaterial
Temperaturregleringsstabilitet är den främsta förutsättningen för användning av fasförändringsmaterial i fibertextilier, särskilt temperaturregleringsstabiliteten för sammansatta fasförändringsmaterial (C-PCM) och kvalitativa fasförändringsmaterial (Q-PCM). En fasförändring introduceras nedan. Testmetoden för stabilitet hos temperaturreglerande kompositmaterial innefattar följande procedurer:
Förbered prover: Dispergera standardvikten för det fasförändrande temperaturreglerande kompositmaterialet jämnt i testområdet för det fasförändrande temperaturreglerande kompositmaterialet i mitten av standardfilterpappret för att förbereda provet som ska testas.
AkeBaka provet: flytta provet som ska testas in i ugnen och baka det vid en konstant temperatur på 40 ℃ ～ 50 ℃ i 5-12 timmar och ta sedan ut testprovet.
③Observera provet: Observera utsöndringen av den fasförändrande temperaturreglerande arbetsvätskekomponenten utanför testområdet för det fasförändrande temperaturreglerande kompositmaterialet på filterpapperet och mät de maximala och minimala diametrarna för den utsöndringscirkel som bildas utanför testområdet. Medeldiametern för utsöndringscirkeln beräknas av den maximala diametern och den minsta diametern för utsöndringscirkeln.