Inteligentní vlákna a textilie regulující teplotu jsou technologicky vyspělé produkty, které se rychle vyvinuly v 90. letech a jsou plné vitality. Může nejen zlepšit pohodlí oblečení, ale také má vysokou přidanou hodnotu a může dosáhnout vysokých výhod. S neustálým zaváděním špičkových a nových technologií do této oblasti se zvýšily požadavky lidí na špičkové oblečení a funkčnost. Vývoj nového typu inteligentních vláknových tkanin s regulací fázových změn má dobrou perspektivu vývoje a široké možnosti použití.
Historie vývoje inteligentních vláken regulujících teplotu při fázových změnách
Vlákno s fázovou změnou je druh funkčního vlákna pro akumulaci a regulaci teploty, které bylo vyvinuto pomocí charakteristik uvolňování nebo absorpce latentního tepla a udržování konstantní teploty během fázové změny materiálu.
Výzkum inteligentních vláken regulujících teplotní změny vznikl ve Spojených státech v 80. letech. První inteligentní vlákno na regulaci teploty na bázi akrylového vlákna Outlast vyvinuté výzkumným projektem Národní správy letectví a kosmonautiky bylo získáno přidáním mikrokapslí potažených parafinovým uhlovodíkem z materiálu pro změnu fáze do zvlákňovacího roztoku akrylového vlákna. Pláště vyvinuté podle měsíčního plánu pro oděvy astronautů a ochranu přesných přístrojů ve vesmírných experimentech byly úspěšně vyvinuty v roce 1988 a poprvé použity pro komerční použití v roce 1994. V roce 1997 US Space Agency založila společnost Gateway, společnost specializující se na vývoj a výzkum inteligentních vláken regulujících teplotu. Vlákno na bázi akrylového vlákna Outlast bylo registrováno jako outlast, které bylo vyvinuto pro běžné oděvy a prodávalo se na trzích USA a Evropy. Od té doby německá společnost Kelheim Fiber Company a Outlast Company spolupracovaly na vývoji viskózového vlákna Outlast. Ve skutečnosti se získává přidáním mikrokapslí materiálu s fázovou změnou do zvlákňovacího roztoku viskózového vlákna. Jeho tepelně izolační účinek dosahuje 42,5% a byl patentován. .
V současné době se materiály pro fázovou změnu používají jako vývoj a aplikace vláken inteligentní regulace teploty s fázovou změnou. USA a Švýcarsko jsou v zahraničí vyspělejší. Vlákna pro regulaci teploty, která vyrábějí, jsou hlavně technologie zvlákňování mikrokapslí; Evropa a Japonsko také provádějí výzkum v této oblasti. . Německo bylo první, které úspěšně vyvinulo dokončovací materiály pro mikrokapsle na skladování tepla síranem sodným; později vyvinula látky naplněné rozpouštědly a inertními plyny v dutých vláknech. Reprezentativní technologií Japonska&# 39 je mikrokapsle pro kašovitou vrstvu vyvinutou společností Daiwa Chemical Industry.
Typ regulace teploty vláknité tkaniny
(1) Jednosměrné vlákno regulující teplotu
Tento typ vlákna má jedinou funkci regulace teploty, která může zvýšit nebo snížit teplotu. Jedním z nich je topné vlákno EKS a Softwarm vyráběné společností Japan Toyobo Co., Ltd .; druhou je lněné vlákno a nefritové vlákno s funkcí chlazení. Protože mají pouze jednosměrný účinek regulace teploty, mají tato vlákna zjevné nedostatky. Proto, když je směr změny teploty prostředí opačný ke směru nastavení teploty, nebude to fungovat dobře a dokonce to bude mít nepříznivé důsledky.
(2) Obousměrné vlákno regulující teplotu
Materiály pro fázovou změnu (materiály pro fázovou změnu, označované jako PCM), které mohou nezávisle upravovat chladné a horké prostředí, mají obousměrné nastavení teploty a funkce přizpůsobivosti. Prostřednictvím výroby a zpracování se PCM přidávají do matice vláken v určité technologické formě. Když je fázová změna dosažena při teplotě, může aktivně zabránit nadměrným výkyvům teploty v oděvu diskontinuálním zahříváním. Energie procesu fázové změny je uložena v materiálu pro fázovou změnu, aby se zvýšila jeho tepelná kapacita; když okolní teplota poklesne, inteligentně uvolní svoji akumulovanou energii a lze ji opakovaně použít v prostředí teplotní oscilace, proto se jí říká&„; transformace inteligentního termostatu (STFT) &“ ;.
Mechanismus fázové změny STFT&# 39 a princip regulace teploty
STFT se také nazývá klimatizační vlákno. Mechanismus fázové změny STFT odkazuje na skutečnost, že za určitých podmínek, kdy se teplota určitých látek v podstatě nemění a fázový stav se mění, je latentní teplo fázové změny mnohem větší než citelné teplo fázové změny. Inteligentní vlákno pro úpravu teploty s fázovou změnou je nový typ vlákna, které využívá změnu fáze materiálu k uvolnění nebo absorpci latentního tepla k udržení konstantní teploty. Fázová změna se projevuje hlavně jako přechod mezi kapalinou a pevnou látkou nebo změnou fáze struktury krystal-krystal, krystal-kapalina a molekulární agregace v pevné látce a tepelná energie udržuje teplotu.
(1) Mechanismus fázového přechodu STFT
Rozdíl mezi inteligentní vláknitou tkaninou s inteligentní regulací teploty a tradiční vláknitou tkaninou spočívá v odlišném mechanismu uchování tepla. Tradiční tepelně izolační oděvy používají hlavně metody tepelné izolace, aby se zabránilo nadměrnému snížení teploty pokožky, zatímco tepelně izolační mechanismus vláken s fázovou změnou je necitlivý na deformaci, vlhkost a tlak vzduchu a necítí se příliš ucpaný ani těžký. Může poskytnout lidskému tělu příjemné mikroklima. okolí. Důvodem je, že PCM poskytují tepelnou regulaci, nikoli tepelnou izolaci. Realizace tohoto mechanismu fázové změny a mechanismu úpravy teploty spočívá v tom, že v tepelném prostředí, při dosažení teploty tání média pro fázovou změnu, se změní krystal média pro fázovou změnu a jeho molekulární řetězec překoná mezimolekulární sílu, molekulární vzdálenost se zvětšuje a roztavení krystalu vlákno absorbuje teplo; když vlákno vstupuje do studeného prostředí z horkého prostředí, když je teplota nižší než bod krystalizace média pro fázovou změnu, jsou molekulární řetězce v médiu pro fázovou změnu pravidelně uspořádány tak, aby vytvářely krystaly, a vlákno uvolňuje teplo; skladování energie s fázovou změnou Tímto způsobem vlákno dosahuje účelu regulace teploty absorpcí a uvolňováním tepla.
(2) Princip regulace teploty STFT
STFT pochází z mechanismu fázové změny PCM ve vláknové tkanině. Proces absorpce a uvolňování tepla je automatický, reverzibilní a neomezený. Mezi výhody tohoto principu regulace teploty patří: regulace teploty k vyrovnání teploty a požadavků na teplo vhodné pro celodenní pohodlí; dobrá teplotní odolnost, poskytuje chladicí účinek; absorbovat přebytečné tělesné teplo a uvolňovat ho, když teplota povrchu těla klesá, čímž zabráníte tomu, aby byl povrch těla příliš chladný.
Proto vláknové textilie obsahující PCM udržují stálost tělesné teploty mezi lidským tělem a vnějším prostředím bez ohledu na to, zda se teplota vnějšího prostředí zvyšuje nebo snižuje, čímž vytváří&„mikroklimatické prostředí &“; pro lidské tělo, které není ani studené, ani horké.
(3) Standard měření schopnosti regulace teploty STFT
Funkce nastavení teploty inteligentního vlákna pro regulaci teploty je vyjádřena hodnotou&„; Adaptive Comfort Rating &“; Hodnota (Adaptive Comfort Rating), která se používá k měření schopnosti produktu&# 39 absorbovat, ukládat a případně uvolňovat energii. Čím vyšší je úroveň ACR produktu, tím je to pohodlnější. Hodnota ACR tradičních vláken se blíží nule a je pro ně obtížné akumulovat teplo.
Výběr nastavení teploty a výkon typu materiálů PCM
Fázový přechod označuje jev, při kterém se fázový stav určitých látek mění při určité teplotě. Energie absorbovaná nebo uvolněná během fázové změny se nazývá teplo fázové změny (také se nazývá latentní teplo fázové změny) a množství tepla absorbovaného a uvolněného během změn teploty materiálu se nazývá čitelné teplo. Ve srovnání s citelným teplem je teplo fázové změny mnohem větší. Proto je výběr materiálů pro fázovou změnu prvním krokem k přípravě inteligentních vláken a textilií regulujících teplotu.
(1) Výběr materiálů pro řízení teploty s fázovou změnou
Vzhledem ke zvláštním požadavkům na aplikaci vláken a zpracování textilií neexistuje mnoho materiálů pro regulaci teploty fázových změn, které lze použít pro textilní vlákna. Nejprve by teplota krystalizace (teplota udržování) materiálu s fázovou změnou měla být vhodná a vhodná pro oblast použití. Vezmeme-li si jako příklad vlákno pro akumulaci energie s fázovou změnou, většina dosud uváděných vláken pro akumulaci energie s fázovou změnou má nevýhodu příliš vysoké teploty krystalizace a nelze je dobře aplikovat v oblasti oděvních vláken; zadruhé, zpracovatelnost vlákna pro uchovávání energie s fázovou změnou, materiály pro fázovou změnu jsou většinou oligomery s relativně nízkou molekulovou hmotností a je třeba vzít v úvahu jejich chemickou stabilitu, tepelnou stabilitu, zvlákňování po kombinaci s vláknovou matricí atd.
Zásady pro třídění vláknitých materiálů s fázovou změnou vhodných pro textil: (1) Vysoká hustota skladování energie. Materiál pro fázovou změnu by měl mít větší jednotkový objem, vyšší latentní teplo fázové změny na jednotku hmotnosti a větší měrnou tepelnou kapacitu. (2) Teplota fázového přechodu. Bod tání by měl odpovídat použití textilií a oděvů a teplotní rozsah fázové změny odpovídající teplotě použití by měl být zvolen podle různých klimatických podmínek a použití. (3) Bezpečné a spolehlivé. Chemické a fyzikální vlastnosti materiálů s fázovými změnami jsou stabilní, nekorozivní, neškodné, netoxické a nehořlavé. (4) Tepelná vodivost. Materiál pro fázovou změnu by měl mít velkou vhodnou tepelnou vodivost, vysokou citlivost a být schopen rychle absorbovat a uvolňovat teplo. (5) Proces fázového přechodu. Proces fázové změny by měl být zcela reverzibilní a měl by souviset pouze s teplotou. (6) Změny hlasitosti. Při změně fáze je změna hlasitosti malá. (7) Tlak na změnu fáze. Odpovídající tlak par při pracovní teplotě materiálu s fázovou změnou by měl být relativně nízký. (8) Stabilita fázového přechodu. Po opakovaných fázových změnách se výkon akumulace tepla málo snižuje. (9) Hustota fázového přechodu. Hustota dvou fází materiálu pro fázovou změnu by měla být co největší, aby se snížily náklady na nádobu. (10) Podchlazení fázovou změnou. Malé podchlazení a vysoká rychlost růstu krystalů. (11) Ekonomicky proveditelné.
Ve skutečném procesu vývoje je velmi obtížné najít materiály pro fázovou změnu, které splňují tyto ideální podmínky. Lidé proto nejprve nejprve zváží vhodnou teplotu fázového přechodu a velké teplo fázového přechodu a poté zváží různé komplexní faktory, které ovlivňují výzkum a aplikace.
(2) Druhy materiálů pro řízení teploty s fázovou změnou
Dosud bylo vyvinuto a aplikováno více než 500 termoregulačních materiálů s jednou změnou fáze (PCM), stejně jako kompozitní a kvalitativní termoregulační materiály s fázovou změnou s jedinečnými charakteristikami fázové změny vyvinuté a aplikované pomocí kompozitní technologie. V současné době vyvíjené a používané typy materiálů pro regulaci teploty s fázovou změnou jsou: ① Různá klasifikace podle teploty akumulace tepla materiálů: Podle teplotního rozsahu pro změnu fáze lze materiály pro regulaci teploty s fázovou změnou rozdělit do tří hlavních materiály pro fázovou změnu: vysoká teplota, střední teplota a nízká teplota. Vysokoteplotní materiály pro fázovou změnu se týkají hlavně některých roztavených solí a materiálů ze slitin kovů; materiály pro fázovou změnu se střední teplotou se týkají hlavně některých krystalicky hydratovaných solí, organických a polymerních materiálů; materiály s nízkou změnou fázové změny se týkají hlavně materiálů, jako je led a hydrogel. ②Různé klasifikace podle formy změny fáze materiálu: Materiály pro regulaci teploty při změně fáze lze rozdělit do čtyř kategorií: změna fáze pevná látka-pevná fáze, změna fáze pevná látka-kapalina, změna fáze pevná látka-plyn a změna fáze kapalná-plynná látka. Mezi nimi tepelně akumulační materiál s fázovou změnou v pevné fázi neprochází fázovou změnou, ale mění se krystalická forma materiálu s fázovou změnou. Teplo se samozřejmě také absorbuje a uvolňuje během procesu změny krystalové formy. ③Klasifikováno podle chemického složení materiálu: materiál pro anorganickou fázovou změnu (I-PCM), materiál pro organickou fázovou změnu (O-PCM), kompozitní materiál pro změnu fáze (C-PCM) a kvalitativní materiál pro fázovou změnu (Q-PCM).
Následuje popis materiálů s fázovými změnami podle klasifikace chemického složení:
A. Materiály regulující teplotu změny anorganické fáze: Materiály anorganické změny fáze zahrnují hlavně anorganické látky, jako je krystalická hydratovaná sůl, roztavená sůl a slitina kovu. Nejtypičtější z nich jsou krystalické hydratované soli, které mají velké tavné teplo a pevnou teplotu tání. Jeho podstata se týká teploty, při které je krystalová voda odstraněna, a odstraněná krystalová voda může rozpustit sůl a absorbovat teplo. Když je teplota snížena, dochází k opačnému procesu, který absorbuje krystalickou vodu a je exotermický. Mechanismus fázového přechodu je vyjádřen následovně: AB · mH2O → AB + mH2O + Q, AB · mH2O → AB · pH2O + (mp) H2O + Q, kde m a p je počet krystalové vody a Q je teplo fúze.
Nejběžněji používanými látkami tohoto typu jsou hydráty halogenidů, síranů, fosforečnanů, dusičnanů, octanů a uhličitanů alkalických kovů a kovů alkalických zemin a reprezentativními látkami jsou: Na2SO4 · 10H2O, Mg (NO3) 2,6H2O, MgCl2 6H2O, CaCl2 · 6H2O, CaBr2 · 6H2O, Zn (NO3) 2,6H2O, NH4Al (SO4) 2,12H2O, Na2S2O3 · 5H2O atd.
B. Materiály pro regulaci teploty organických fázových změn
Takové materiály pro fázovou změnu se běžně používají: parafin, karboxylové kyseliny, vyšší alifatické uhlovodíky, mastné kyseliny nebo jejich estery nebo soli, alkoholy, aromatické uhlovodíky, aromatické ketony, amidy, freony a polyhydroxykarbonové kyseliny atd .; Makromolekuly dále zahrnují: polyolefiny, polypolyoly, polyenoly, polyenové kyseliny, polyamidy a další makromolekuly.
C. Kompozitní materiály pro regulaci teploty při změně fáze
Materiály pro regulaci teploty kompozitních fázových změn se týkají hlavně obecných smíšených systémů nebo eutektických systémů binárních nebo více sloučenin s podobnými vlastnostmi, materiálů se změnami pevné fáze a kapaliny se stabilním tvarem a anorganických a organických kompozitních materiálů pro fázové změny. Kompozitní materiály pro fázovou změnu mají obecně dvě formy: jedna je směsí dvou materiálů pro fázovou změnu; druhým je tvarovaný materiál pro fázovou změnu. I když je míchání dvoufázových materiálů jednoduché na výrobu, má to nevýhody obecných materiálů pro fázové změny, jako je potřeba zapouzdření, které je náchylné k úniku a jeho použití není bezpečné.
D. Kvalitativní materiály pro regulaci teploty při fázové změně
Tento druh materiálu pro regulaci teploty fázové změny je smíšený materiál pro regulaci teploty složený z materiálu pro fázovou změnu a polymeru. Materiálem pro fázovou změnu je obvykle parafinová organická kyselina atd. Polymerním materiálem je obecně HDPE (polyethylen s vysokou hustotou, který má vyšší teplotu tání, jako nosič), druhý se používá jako nosný a těsnící materiál k zadržení fáze měnit materiál v každém ze svých mikroprostorů. Proto když materiál fázové změny prochází fázovou změnou, kvalitativní materiál pro regulaci teploty fázové změny si může udržet určitý tvar a žádný materiál fázové změny nebude prosakovat.
Ve srovnání s běžnými materiály pro fázovou změnu nevyžaduje kvalitativní regulace teploty fázové změny balicí zařízení, což snižuje náklady na balení a potíže s balením, předchází riziku úniku materiálu, zvyšuje bezpečnost použití materiálu a snižuje odpor nádoby na přenos tepla, K čemuž přispívá výměna tepla mezi materiálem s fázovou změnou a teplonosnou tekutinou.
(3) Materiály regulující teplotu při změně teploty používané pro textilní vlákna
Jelikož hlavní část tohoto článku vysvětluje, že vláknitá tkanina PCMs řeší hlavně teplotu a energii fázové změny, kterou lidské tělo pohodlně nosí, takže použitelné materiály pro fázovou změnu (PCM) jsou velmi omezené. V současné době jsou hlavní mezinárodně vyvinuté PCM klasifikovány podle typu, složení a výkonu následovně:
① Materiál pro anorganickou fázovou změnu (I-PCM)
Složení: jako hydratovaná sůl Na2HPO4 · 12H2O, CaCl2 · 6H2O, Na2SO4 · 10H2O atd. Jeho vlastnosti: teplota pod 35 ° C; energie 120 J / g ～ 300 J / g; cyklická značka {{14}}; responzivní značka ++; vlastnosti jsou nízká cena, vysoká hustota akumulace tepla, velká tepelná vodivost; problém je energetická koncentrace a podchlazení Velké, snadno oddělitelné, špatný výkon akumulace tepla.
MaterialsOrganické materiály pro fázovou změnu (O-PCM)
A. Složení: parafinový uhlovodík, organický tuk CnH2n+2, CnH2nO2 atd. Jeho vlastnosti: teplota 18 ℃ ～ 40 ℃; energie 200 J / g ～ 300 J / g; značka cyklickosti +++; značka citlivosti ++; charakteristickým rysem je, že fúzní teplo je velké, ale je chladné a nesráží se; problém je v tom, že tepelná vodivost je malá, hustota je malá.
B. Složení: Polyoly: PG, NPG, PEG atd. Jeho vlastnosti: teplota 24 ℃ ～ 40 ℃; energie 100 J / g ～ 300 J / g; značka cyklu ++++; responzivní značka ++; charakteristiky jsou malá deformace a podchlazení, vysoká tepelná účinnost, dlouhá životnost; problém je vysoká teplota je plastový krystal, snadno těkavé ztráty.
③Kompozitní materiál pro fázovou změnu (C-PCM)
Složení: anorganický, organický kompozit, kompozitní materiál pro skladování energie (CESM) atd. Jeho výkon: teplota -140 ℃ ～ 670 ℃; energie 100 J / g ～ 500 J / g; cyklické značení ++++; responzivní značení ++++; vlastnosti vysoké hustoty skladování energie, rychlý přenos tepla, stabilní, snadné zpracování.
(4) Zkušební metody pro regulaci teploty stability materiálů s fázovou změnou
Stabilita regulace teploty je primárním předpokladem pro použití materiálů s fázovou změnou ve vláknitých textiliích, zejména stabilita regulace teploty u kompozitních materiálů pro změnu fáze (C-PCM) a kvalitativních materiálů pro změnu fáze (Q-PCM). Níže je uvedena fázová změna. Metoda zkoušení stability kompozitních materiálů regulujících teplotu zahrnuje následující postupy:
①Připravte vzorky: Rovnoměrně rozprostřete standardní hmotnost kompozitního materiálu regulujícího teplotu při změně teploty ve zkušební oblasti kompozitního materiálu regulujícího teplotu při změně teploty ve středu standardního filtračního papíru, abyste připravili vzorek k testování;
②Pečte vzorek: přemístěte testovaný vzorek do pece a pečte jej při konstantní teplotě 40 ～ ～ 50 ℃ po dobu 5-12 hodin, poté zkušební vzorek vyjměte;
ErvDodržování vzorku: Sledujte exsudaci složky pracovní kapaliny s regulací teploty fázové změny mimo testovací oblast kompozitního materiálu s regulací teploty s fázovou změnou na filtračním papíru a změřte maximální a minimální průměry exsudačního kruhu vytvořeného venku testovací oblast. Průměrný průměr vylučovacího kruhu se vypočítá z maximálního průměru a minimálního průměru vylučovacího kruhu.