Intelligente temperaturregulerende fibre og tekstiler er høyteknologiske produkter som utviklet seg raskt på 1990-tallet og er fulle av vitalitet. Det kan ikke bare forbedre bekvemmeligheten til klær, men har også høy merverdi og kan oppnå høye fordeler. Med den kontinuerlige innføringen av høy og ny teknologi i dette feltet, har folks' s krav til avanserte klær og funksjonalitet økt. Utviklingen av en ny type faseendring intelligent temperaturregulerende fiberduk har gode utviklingsutsikter og brede bruksutsikter.
Utviklingshistorien for faseendring intelligent temperaturregulerende fiber
Faseendringsfiber er en slags funksjonell fiber for lagring av temperatur og temperaturregulering utviklet ved å bruke egenskapene til å frigjøre eller absorbere latent varme og holde temperaturen konstant under faseendringen av materialet.
Forskningen om faseendring av intelligente temperaturregulerende fiber stammer fra USA på 1980-tallet. Den første Outlast akrylfiberbaserte intelligente temperaturregulerende fiberen utviklet av National Aeronautics and Space Administration forskningsprosjekt ble oppnådd ved å tilsette mikrokapsler belagt med faseendringsmateriale parafin hydrokarbon til den akrylfiberspinnende løsningen. Jakka utviklet av månedsplanen for astronautklær og beskyttelse av presisjonsinstrumenter i romeksperimenter ble vellykket utviklet i 1988 og ble brukt for kommersiell bruk for første gang i 1994. I 1997 etablerte US Space Agency Gateway, et selskap som spesialiserer seg i utvikling og forskning av intelligente temperaturregulerende fibre. Outlast akrylfiberbasert fiber ble registrert som outlast, som ble utviklet for generelle klær og ble solgt i det amerikanske og europeiske markedet. Siden da har det tyske Kelheim Fiber Company og Outlast Company samarbeidet om å utvikle Outlast viskosefiber. Det oppnås faktisk ved å tilsette mikrokapsler med faseendringsmateriale til den roterende løsningen av viskosefiber. Dens varmeisolasjonseffekt når 42,5% og er patentert. .
For tiden brukes faseskiftematerialer som utvikling og anvendelse av faseendrings intelligente temperaturkontrollfibre. USA og Sveits er mer modne i utlandet. Temperaturkontrollfibrene de produserer er hovedsakelig mikrokapsel-spinneteknologi; Europa og Japan har også forskning på dette området. . Tyskland var den første som vellykket utviklet ferdiglagringsmaterialer for mikrokapsel med natriumsulfat; senere utviklet det stoffer fylt med løsemidler og inerte gasser i hule fibre. Japan' s representative teknologi er oppslemmingsbelegget for mikrokapsler utviklet av Daiwa Chemical Industry.
Type temperaturregulering av fiberduk
(1) Enveis temperaturregulerende fiber
Denne typen fiber har en enkelt temperaturreguleringsfunksjon, som kan øke eller senke temperaturen. Den ene er varmefiberen EKS og Softwarm produsert av Japan Toyobo Co., Ltd. den andre er linfiber og jadefiber med kjølefunksjon. Fordi de bare har enveis temperaturreguleringseffekt, har disse fibrene åpenbare mangler. Derfor, når retningen for miljøtemperaturendring er motsatt retningen for temperaturjustering, vil den ikke fungere bra, og til og med forårsake uheldige konsekvenser.
(2) Toveis temperaturregulerende fiber
Faseendringsmaterialer (Faseendringsmaterialer, referert til som PCM) som uavhengig kan justere de kalde og varme omgivelsene, har toveis temperaturjusterings- og tilpasningsfunksjoner. Gjennom produksjon og prosessering legges PCM til fibermatrisen i en viss teknologisk form. Når faseendringen er nådd ved temperatur, kan den aktivt forhindre overdreven temperatursvingning i klærne gjennom diskontinuerlig oppvarming. Energien i faseendringsprosessen lagres i faseendringsmaterialet for å øke varmekapasiteten; når omgivelsestemperaturen synker, vil den intelligent frigjøre lagret energi og kan brukes gjentatte ganger i et temperaturoscillasjonsmiljø, så den kalles" Smart termostat fiber transformation (STFT)" ;.
STFT' s faseendringsmekanisme og temperaturreguleringsprinsipp
STFT kalles også air conditioning fiber. Faseendringsmekanismen til STFT refererer til det faktum at under visse forhold, når temperaturen til visse stoffer i utgangspunktet er uendret og fasetilstanden endres, er den latente varmen fra faseendring mye større enn den fornuftige varmen fra faseendring. Faseendring intelligent temperaturjusterende fiber er en ny type fiber som bruker materiell faseendring for å frigjøre eller absorbere latent varme for å holde temperaturen konstant. Faseendringen manifesteres hovedsakelig som overgangen mellom væske og fast stoff, eller endringen av krystallkrystall-, krystall-væske- og molekylaggregasjonsstrukturfasen i det faste stoffet, og termisk energi opprettholder temperaturen.
(1) Faseovergangsmekanisme for STFT
Forskjellen mellom faseendring intelligent temperaturregulerende fiberduk og tradisjonell fiberduk ligger i den forskjellige varmebevaringsmekanismen. Tradisjonelle klær for varmeisolasjon bruker hovedsakelig varmeisolasjonsmetoder for å unngå overdreven reduksjon av hudtemperaturen, mens den termiske isolasjonsmekanismen til faseendringsfibre er ufølsom for deformasjon, fuktighet og lufttrykk og ikke føles for tett eller tung. Det kan gi menneskekroppen et behagelig mikroklima. omgivelser. Årsaken er at PCM-er gir termisk regulering, ikke varmeisolasjon. Realiseringen av denne faseendringsmekanismen og temperaturjusteringsmekanismen er at i et termisk miljø, når smeltetemperaturen til faseendringsmediet er nådd, endres krystallet til faseendringsmediet, og dets molekylære kjede overvinner den intermolekylære kraften, den molekylære avstand øker, og krystall smelter, fiber absorberer varme; når fiberen kommer inn i et kaldt miljø fra et varmt miljø, når temperaturen er lavere enn krystalliseringspunktet til faseendringsmediet, blir molekylkjedene i faseendringsmediet regelmessig ordnet for å danne krystaller, og fiberen frigjør varme; faseendring energilagring På denne måten oppnår fiberen formålet med temperaturregulering ved å absorbere og frigjøre varme.
(2) Prinsippet om temperaturregulering av STFT
STFT kommer fra PCMs faseendringsmekanisme i fiberstoffet. Prosessen med varmeabsorpsjon og varmeutslipp er automatisk, reversibel og ubegrenset. Fordelene med temperaturreguleringsprinsippet er: temperaturkontroll for å balansere temperaturen og varmekravene som er egnet for komfort hele dagen; god temperaturbestandighet, gir en kjøleeffekt; absorber overflødig kroppsvarme, og slipp den når kroppens overflatetemperatur synker, og forhindrer kroppsoverflaten.
Derfor opprettholder fibertekstiler som inneholder PCM, kroppstemperaturens konstans mellom menneskekroppen og det ytre miljøet uavhengig av om temperaturen i det ytre miljøet øker eller synker, og derved skaper et" mikroklimatmiljø" for menneskekroppen som verken er kald eller varm.
(3) Målestandarden for STFT temperaturreguleringsevne
Temperaturjusteringsfunksjonen til den intelligente temperaturkontrollfiberen uttrykkes med" Adaptive Comfort Rating" (Adaptive Comfort Rating) -verdi, som brukes til å måle produktets&# 39 evne til å absorbere, lagre og frigjøre energi når det er hensiktsmessig. Jo høyere ACR-nivå på produktet, jo mer behagelig er det. ACR-verdien til tradisjonelle fibre er nær null, og det er vanskelig for dem å lagre varme.
Valg av temperaturjustering og typeytelse for PCM-materialer
Faseovergang refererer til fenomenet at fasetilstanden til visse stoffer endres ved en bestemt temperatur. Energien som absorberes eller frigjøres under faseendring kalles faseendringsvarme (også kalt latent varme for faseendring), og mengden varme som absorberes og frigjøres under materialtemperaturendringer kalles fornuftig varme. Sammenlignet med fornuftig varme er faseendringsvarmen mye større. Derfor er valget av faseendringsmaterialer det første trinnet for å tilberede smarte temperaturregulerende fibre og tekstiler.
(1) Valg av faseendringstemperaturreguleringsmaterialer
Tatt i betraktning de spesielle kravene til fiberpåføring og stoffbehandling, er det ikke mange faseskiftende temperaturkontrollmaterialer som kan brukes til stofffibre. Først og fremst bør krystalliseringstemperaturen (holdetemperaturen) til faseendringsmaterialet være passende og egnet for anvendelsesområdet. Når vi tar faseforandringsenergilagringsfiber som et eksempel, har de fleste av faseforandringsenergilagringsfibrene hittil rapportert ulempen med for høy krystalliseringstemperatur, og de kan ikke brukes godt innen klesfibre; for det andre må bearbeidbarheten av faseendringsenergilagringsfiber, faseendringsmaterialer hovedsakelig være oligomerer, med relativt lav molekylvekt, og deres kjemiske stabilitet, termiske stabilitet, spinnbarhet etter å ha blitt kombinert med fibermatrisen, etc. må vurderes.
Prinsipper for screening av faseendringsfibermaterialer som er egnet for tekstiler: (1) Høy energilagringstetthet. Faseendringsmaterialet skal ha et høyere enhetsvolum, en høyere latent varme av faseendring per masseenhet og en større spesifikk varmekapasitet. (2) Faseovergangstemperatur. Smeltepunktet skal oppfylle bruken av tekstiler og klær, og faseendringstemperaturområdet i samsvar med brukstemperaturen bør velges i henhold til forskjellige klimaer og bruksområder. (3) Trygt og pålitelig. De kjemiske og fysiske egenskapene til faseendringsmaterialer er stabile, ikke-etsende, ufarlige, ikke-giftige og ikke-brennbare. (4) Varmeledningsevne. Faseskiftematerialet skal ha en stor passende varmeledningsevne, høy følsomhet og kunne absorbere og frigjøre varme raskt. (5) Faseovergangsprosess. Faseendringsprosessen skal være helt reversibel og bare relatert til temperatur. (6) Volumendringer. Når fasen endres, er volumendringen liten. (7) Faseendringstrykk. Det tilsvarende damptrykket ved arbeidstemperaturen til faseendringsmaterialet bør være relativt lavt. (8) Faseovergangsstabilitet. Etter gjentatte faseendringer forfaller ytelsen til varmelagring lite. (9) Faseovergangstetthet. Tettheten til de to fasene i faseendringsmaterialet bør være så stor som mulig for å redusere kostnaden for beholderen. (10) Faseendring superkjøling. Liten underkjøling og høy krystallvekst. (11) Økonomisk gjennomførbart.
I selve utviklingsprosessen er det veldig vanskelig å finne faseendringsmaterialer som oppfyller disse ideelle forholdene. Derfor vurderer folk ofte først passende faseovergangstemperatur og storfaseovergangsvarme, og vurderer deretter ulike omfattende faktorer som påvirker forskning og applikasjoner.
(2) Typer av faseendrings temperaturkontrollmaterialer
Så langt er det mer enn 500 ensformige termoreguleringsmaterialer (PCM-er) som er utviklet og anvendt, samt kompositt- og kvalitativ faseskiftende termoreguleringsmaterialer med unike faseendringsegenskaper utviklet og anvendt gjennom komposittteknologi. Typer av faseskiftende temperaturregulerende materialer som for øyeblikket er utviklet og anvendt, er: ①Ulike klassifiseringer i henhold til materialets varmelagringstemperatur: I henhold til temperaturendringsområdet for faseendring kan temperaturendrende materialer som deles, deles inn i tre hovedtyper faseendringsmaterialer: høy temperatur, middels temperatur og lav temperatur. Faseendringsmaterialer ved høy temperatur refererer hovedsakelig til noen smeltede salter og metalllegeringsmaterialer; mediumtemperatur faseendringsmaterialer refererer hovedsakelig til noen krystallhydratiserte salter, organiske stoffer og polymermaterialer; Faseendringsmaterialer ved lav temperatur refererer hovedsakelig til materialer som is og hydrogel. ②Ulike klassifiseringer i henhold til formen for materialfaseendring: Faseendringstemperaturreguleringsmaterialer kan deles inn i fire kategorier: fast-fast faseendring, fast-væske faseendring, fast-gass faseendring og flytende-gass faseendringsmateriale. Blant dem gjennomgår ikke varmelagringsmaterialet for fast-fast faseendring en faseendring, men krystallformen av faseendringsmaterialet endres. Selvfølgelig absorberes og frigjøres varme også under prosessen med krystallformendring. Klassifisert i henhold til den kjemiske sammensetningen av materialet: uorganisk faseendringsmateriale (I-PCM), organisk faseendringsmateriale (O-PCM), sammensatt faseendringsmateriale (C-PCM) og kvalitativt faseskiftemateriale (Q-PCM).
Følgende er en beskrivelse av faseendringsmaterialer etter kjemisk sammensetningsklassifisering:
A. Uorganiske faseendrings temperaturregulerende materialer: Uorganiske faseendringsmaterialer inkluderer hovedsakelig uorganiske stoffer som krystallinsk hydratisert salt, smeltet salt og metalllegering. De mest typiske av disse er krystallinske hydratiserte salter, som har en stor smeltevarme og et fast smeltepunkt. Essensen refererer til temperaturen der krystallvannet fjernes, og krystallvannet som fjernes, kan oppløse saltet og absorbere varme. Når temperaturen senkes, skjer den omvendte prosessen, absorberer krystallvann og eksoterm. Faseovergangsmekanismen uttrykkes som følger: AB · mH2O → AB + mH2O + Q, AB · mH2O → AB · pH2O + (mp) H2O + Q, hvor m og p er antall krystallvann, og Q er fusjonsvarmen.
De mest brukte stoffene av denne typen er hydrater av alkalimetall og jordalkalimetallhalogenider, sulfater, fosfater, nitrater, acetater og karbonater, og de representative er: Na2SO4 · 10H2O, Mg (NO3) 2 · 6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2 · 6H2O, CaBr2 · 6H2O, Zn (NO3) 2 · 6H2O, NH4Al (SO4) 2 · 12H2O, Na2S2O3 · 5H2O, etc.
B. Organiske faseendrings temperaturkontrollmaterialer
Slike faseendringsmaterialer blir ofte brukt: parafin, karboksylsyrer, høyere alifatiske hydrokarboner, fettsyrer eller deres estere eller salter, alkoholer, aromatiske hydrokarboner, aromatiske ketoner, amider, freoner og polyhydroksykarbonsyrer, etc .; I tillegg inkluderer makromolekyler: polyolefiner, polypolyoler, polyenoler, polyenosyrer, polyamider og andre makromolekyler.
C. Komposittfaseendrings temperaturkontrollmaterialer
Komposittfaseendringstemperaturreguleringsmaterialer refererer hovedsakelig til generelle blandede systemer eller eutektiske systemer av binære eller flere forbindelser med lignende egenskaper, faste-flytende faseendringsmaterialer med stabil form, og uorganiske og organiske sammensatte faseendringsmaterialer. Sammensatte faseendringsmaterialer har generelt to former: den ene er en blanding av tofaseskiftematerialer; den andre er et formet faseendringsmateriale. Selv om blanding av tofaseskiftematerialene er enkel å fremstille, har den ulempene med generelle faseskiftematerialer, slik som behovet for innkapsling, som er utsatt for lekkasje og utrygt å bruke.
D. Kvalitative faseendrings temperaturkontrollmaterialer
Denne typen faseendringstemperaturkontrollmateriale er et blandet temperaturkontrollmateriale som består av faseendringsmateriale og polymer. Faseendringsmaterialet er generelt parafinorganisk syre, etc. Polymermaterialet er generelt HDPE (høy tetthet polyetylen, som har et høyere smeltepunkt, Som en bærer), brukes sistnevnte som et bærer- og tetningsmateriale for å inneholde fasen endre materiale i hvert av dets mikrorom. Derfor, når faseendringsmaterialet gjennomgår en faseendring, kan det kvalitative faseendringstemperaturreguleringsmaterialet opprettholde en viss form, og intet faseendringsmateriale vil lekke.
Sammenlignet med vanlige faseendringsmaterialer krever ikke kvalitativ faseendringstemperaturregulering emballasjeutstyr, noe som reduserer emballasjekostnader og emballasjevansker, unngår risikoen for materiallekkasje, øker sikkerheten ved materialbruk og reduserer beholderens varmeoverføringsmotstand. Noe som bidrar til varmevekslingen mellom faseendringsmaterialet og varmeoverføringsfluidet.
(3) Faseendrings temperaturregulerende materialer som brukes til stofffibre
Siden hoveddelen i denne artikkelen forklarer at PCMs fiberduk hovedsakelig løser faseforandringstemperaturen og energien som menneskekroppen er behagelig å ha på, så de aktuelle faseskiftematerialene (PCM) er svært begrensede. For tiden er de viktigste internasjonalt utviklede PCMene klassifisert som følger i henhold til type, sammensetning og ytelse:
① Uorganisk faseendringsmateriale (I-PCM)
Sammensetning: slik som hydratisert salt Na2HPO4 · 12H2O, CaCl2 · 6H2O, Na2SO4 · 10H2O, etc. Dens ytelse: temperatur under 35 ℃; energi 120J / g ～ 300J / g; syklisk merke {{14}}; responsivt merke ++; egenskaper er lav pris, høy varmelagringstetthet, stor varmeledningsevne; problemet er energikonsentrasjon og underkjøling Stor, lett å skille ut, dårlig varmelagringsytelse.
MaterialsOrganiske faseendringsmaterialer (O-PCM)
A. Sammensetning: parafin hydrokarbon, organisk fett CnH2n+2, CnH2nO2, etc. Dens ytelse: temperatur 18 ℃ ～ 40 ℃; energi 200J / g ～ 300J / g; syklisitetsmerke +++; responsmerke ++; karakteristikken er at fusjonsvarmen er stor, men den er kald og utfeller ikke; problemet er at varmeledningsevnen er liten, tettheten er liten.
B. Sammensetning: Polyoler: PG, NPG, PEG, etc. Dens ytelse: temperatur 24 ℃ ～ 40 ℃; energi 100J / g ～ 300J / g; syklusmerke ++++; responsivt merke ++; egenskaper er liten deformasjon og underkjøling, høy termisk effektivitet, lang levetid; problemet er høy temperatur er plastkrystall, lett til ustabilt tap.
OmpKompositt faseendringsmateriale (C-PCM)
Sammensetning: uorganisk, organisk kompositt, energilagring komposittmateriale (CESM), etc. Dens ytelse: temperatur -140 ℃ ～ 670 ℃; energi 100J / g ～ 500J / g; syklisk merking ++++; responsiv merking ++++; egenskaper med høy energilagringstetthet, rask varmeoverføring, stabil, enkel behandling.
(4) Testmetoder for temperaturreguleringsstabilitet i faseendringsmaterialer
Temperaturreguleringsstabilitet er den primære forutsetningen for bruk av faseendringsmaterialer i fibertekstiler, spesielt temperaturreguleringsstabiliteten til komposittfaseendringsmaterialer (C-PCM) og kvalitative faseskiftematerialer (Q-PCM). En faseendring er introdusert nedenfor. Testmetoden for stabilitet av temperaturregulerende komposittmaterialer inkluderer følgende prosedyrer:
RepKlargjør prøver: Spred standardvekten til det faseskiftende temperaturregulerende komposittmaterialet jevnt i testområdet til det faseskiftende temperaturregulerende komposittmaterialet i midten av standardfilterpapiret for å forberede prøven som skal testes;
AkeBake prøven: flytt prøven som skal testes inn i ovnen og bake den ved en konstant temperatur på 40 ℃ ～ 50 ℃ i 5-12 timer, og ta deretter ut prøven;
③Observasjon av prøven: Observer ekssudasjonen av den faseskiftende temperaturregulerende arbeidsfluidkomponenten utenfor testområdet til det faseskiftende temperaturregulerende komposittmaterialet på filterpapiret, og måler maksimums- og minimumsdiameter av ekssudasjonssirkelen dannet utenfor testområdet. Den gjennomsnittlige diameteren på ekssudasjonssirkelen beregnes av den maksimale diameteren og den minimale diameteren til ekssudasjonssirkelen.