学文网[摘要] 本文论述了相变材料的特点及作用机理,重点说明了微胶囊相变材料在服装中的应用及调温过程,并展望了其良好前景。
[关键词] 相变材料 微胶囊相变材料 前景
1 相变材料
相变材料PCMs(Phase Change Materials)是指在一定狭窄明确的温度范围,即通常所说的相变范围内可以改变物理状态,如从固态转变为液态或从液态变为固态的材料。在相变过程中,体积变化很小,热焓高,因此以潜热形式从周围环境吸收或释放大量热量,热的吸收量或释放量比一般加热和冷却过程要大得多,而此时PCMs的温度保持不变或恒定。在服装上应用时,相转变温度范围应和人体温度变化范围相似,以利于保持恒定的皮肤温度。我们最常见的相变材料就是水:当温度低至0℃时,水由液态变为固态,当温度高于0℃时,水由固态变为液态。在结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量,而在溶解过程中会吸收大量的热能量。冰的数量(体积)越大,溶解过程需要的时间越长。这是相变材料的一个最典型示例。从水的例子中可以看出,相变材料的这种特性在节能,温度控制等领域有着极大的实践意义,实际上可作为能量存储器来使用。因此,相变材料及其应用已成为广泛的研究课题。对纺织领域来讲,相变材料尚属新型材料,其在纺织服装领域内大有用武之地。该材料可广泛应用于制冷业、长期室外作业人员,以及特种行业,如坦克兵、航天员的服装使用材料。相变材料主要分为三种,由于相变材料在液态时易于流动散失,在服装上使用必须采用微胶囊相变材料。
2 相变材料的分类
2.1无机相变材料和有机相变材料
硫酸钠基防护服可以用到无机相变材料,其相变温度为15℃,相变焓为18OJ/g,目前已进入实际应用阶段。该材料以硫酸钠盐为主相变剂,用添加剂来控制材料的熔点,改善材料的形态,提高材料的综合性能,找出影响材料性能因素及最佳工艺控制条件,掌握了材料的加工工艺、制备温度、存储方法等手段。大量研究表明,所得到的材料在保证了必要相变温度的条件下,仍有较大的相变焓,同时,在长期使用的过程中也确实表现出了较好的稳定性。
经大量研究表明,以醇为主相变剂,高级烷烃等为辅相变剂,得到相变温度为23℃,相变焓达到200J/g-220J/g的有机相变材料,是一种较好的制备方法;通过用DSC和TG对相变材料的热稳定性、重复稳定性和膨胀性进行的分析表明,该材料是一种膨胀率低、稳定性很好的相变材料。
2.2微胶囊相变材料
相变材料在液态时易于流动散失,在服装上使用必须采用微胶囊相变材料MPCMs(Microencapsulation of Phase Change Materials)。微胶囊相变材料是将微胶囊技术应用于相变材料而形成的新型复合相变材料,微胶囊化是将直径1～1000um的固体或液体粒子埋入硬壳的物理和化学过程。得到微胶囊的物理工艺包括喷射烘干、离心流动床或涂层。化学工艺是通过界面缩聚以聚酰胺或聚亚氮酯为壳,反应原理是通过使用水溶聚合物和高速搅拌机将一种油类***化在水中形成所需类型的稳定***状液。加入可溶的三聚氰胺甲醛树脂。由于加入酸的作用引起缩聚反应,交联树脂开始形成,并且沉积在油滴和水相界面之间。在壳壁硬化期间,就形成了微胶囊结构和聚合物油滴胶囊的水中分散。
纺织品使用的MPCMs直径为人发直径的1/2,有时只有人发直径的1/20,这些小容器非常象装满了相变材料的乒乓球,壳体不仅小,而且经久耐用,可以填充却不会溶解。这种MPCMs可放人纤维和泡沫中,或作为涂层材料用于多种织物和泡沫材料,并且能经受进一步的纺织机械加工、热和化学处理等。
3 相变材料的作用机理
当环境温度或人体皮肤温度达到服装内MPCMs溶点,其吸热从固态转化为液态。在服装层内产生短暂的致冷效果(见***1)。热能可能来自人体也可能来自外界温暖环境。一旦PCMs完全溶解,储能结束。如果PCMs服装在低于PCMs冰点温度的寒冷环境中使用,服装温度低于转换温度,液态MPCMs将变回固态,释放出能量提供短暂的加热效果(见***2)。这种热转换在服装内起缓冲作用,减小皮肤温度的变化,延长穿着者的热舒适感。
如果在服装上使用,希望其相变温度在33℃。但是所使用的MPCMs相变温度不一定就是33℃,而是比这一温度高几度和低几度的MPCMs混合后应用于服装。只有这个温度下,一半的固态相变材料吸热溶解成液态,不至使皮肤温度过高,而另一半的液态放热凝固成固态,释放热量,不至使皮肤温度下降过低。
4 微胶囊相变材料服装
由于相转变过程比较短暂,在恒温环境中PCMs没有任何作用。因此,穿着者必须活动以引起PCMs面料的温度变化或者经常在有温差的两个环境中工作,以保证PCMs发生相变吸热或放热。此外,含PCMs的服装层必须具有热量传导作用,能让PCMs感受到温度的变化。
4.1改变环境温度
有些人需要不停地从冷库或运输车到室内或外界温暖环境工作。PCMs防护服可以为这些在温度变化环境中工作的人提供舒适。在这些使用场合中,PCMs的相变温度应该设定为温暖环境时液态,寒冷环境时固态。
PCMs面料的研发与生产人员声称该面料具有动态保暧性,在寒冷环境中比常规保暧材料的保暧时间更长,并且使用PCMs面料作户外服装可减小重量和体积。毫无疑问,相变材料从液态到固态要释放能量,然而只有PCMs在服装生成足够的热量以弥补人体向环境散失的热量时,其才能有效改善服装的热舒适性。即使所有的服装均使用PCMs,当穿着者从室内到室外时,也并不是所有的PCMs发生相变。热量从温暖的人体流向冷环境,从皮肤表面经服装层到外界环境存在着温度梯度。即使人进入更冷环境,但内衣层与人体皮温接近,PCMs仍处于液态。而服装外层的PCMs已遇冷固化放出热量。PCMs固化后,放热就停止了。因此,有一定厚度的保暧系统在持续冷暴露时能有效维持热舒适性。
当人们穿着防火服在高温下短时间作业时,PCMs可以提供短暂的致冷效果维持人体舒适和安全。此时并不需要PCMs凝固放热,石蜡基PCMs的加入会增加面料的可燃性,所以只能在防火面料里层使用。
有些工作需要不时的接触冷或热的物体,因此PCMs手套的相变温度设定在环境温度与冷或热物体的温度之间。如果工人反复的短时间接触物体,PCMs的相变就可以发生,温度缓冲作用得以继续,手套里层必需使用薄面料。
4.2改变皮肤温度
某些工作和运动要求人们时动时静。人体活动越剧烈,产热越多。只有活动程度和代谢产热发生变化时PCMs才能改善人体的舒适度。PCMs服装能吸收人体由于运动产生的大量体热,提供暂时的凉爽效果。当人体处于安静状态时PCMs重新固化放出热量(假设空气温度低于皮肤温度),这就称为PCMs的热调节效应。在这种情况下使用的PCMs的转变温度必须设定在人体代谢产热变化时最高与最低皮温之间。在运动时人体的皮肤温度变化只有几度,但是却会产生大量的体热。例如,在下坡滑雪运动中的产热量是***时的5倍,但皮肤温度却没有成比例增加。首先皮肤表面的血管舒张,皮肤温度略微升高,热量慢慢散失到周围环境中。然而剧烈活动后这种生理散热无法去除过多体热,人体就开始出汗,汗水蒸发会带走热量,提供自然的凉爽感。因此PCMs只有在靠近皮肤层发生相变才能有凉爽效果,如果在外层就不会有任何作用。
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人体不同部位的皮肤温度不同。头部平均温度高于脚部。此外,皮肤温度的个体差异范围,通常高于同一人运动后皮肤温度的变化范围。对防护服的设计者来说,通过皮肤温度的微小变化使PCMs具有热调节效果是一项艰难的工作。
5 研究现状
自1985年以来,NASA、USAF等机构先后资助了10余项该方面的研究工作,近年来,中国、法国、德国和韩国等国家也先后资助了这方面的研究工作。
1987年,USAF资助的一个项目,旨在开发用于极端低温环境中工作的飞行员和地勤人员手套,该项目促成了MicroPCMs用于纤维,该技术获得了美国专利。1995年NAVY进行了一项研究,将含有MicroPCMs的纤维用于寒冷环境下使用的袜子,这种袜子独特的热性能使其能够免于象普通袜子那样受压缩和潮湿的影响。
Outlast、Frisby和3M等纺织公司参与了产品的开发,已经开发出的腈纶纤维制品中含有MicroPCMs,纤维已经用于滑雪服、睡毯、内衣、袜子、手套等的开发。这种纤维织物表现出了静态和动态两重保温性能,在降温过程中其总体保温性能高于普通纺织品,而在升温过程中,其总体保温性能低于普通纺织品。
ReeBook、Polo等4O余家知名体育运动用品公司在开发新产品过程中使用了这类纺织品。NSF资助开展的MicroPCMs用于丙纶和涤纶纤维技术也在进行中。
采用MicroPCMs研制出的蓄热调温织物目前己用行员手套。还对这种纺织品用于高马赫数飞机飞行员服装进行了研究。美国空***消防研究所实验了将该类纺织品用于消防服隔热衬,在100s时间内,该内衬的温度比普通羊毛内衬低了294K。
1995年美国海***研究机构的工作人员研究了由蓄热调温纤维和3M公司Thinsulate纤维组成的干式潜水服的保温性能,取得了令人满意的效果,这种潜水服的外层采用防水透湿织物,可以使潜水员在3h内保持温暖,而普通潜水服只能在1h内保持温暖。潜水员使用的头盔、手套和袜子也同时得到了开发。
6 前景
MPCMs的出现,引入了热调节功能纺织品的概念。含MPCMs的服装有效地改善了人体与服装间的微气候。但受当前技术发展的限制,其热调节功能不是无限的。只有当穿着者不停往返于存在温差的环境中时,MPCMs服装的温度不断地变化,服装中的MPCMs才能最大地发挥作用。
MPCMs的研究在一些方面已经获得了很好的应用,无论从提高效率角度考虑,还是从环保角度考虑,MPCMs的未来发展前景都是光明的,可以预见,随着MPCMs制造技术的进一步成熟,它将对我们的生活发挥越来越重要的作用。
参考文献:
[1]张富丽;相变材料及其在纺织品上的应用[J].上海纺织科技,2003,(2):8-9.
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[4]中国个体防护装备.2002,(6):18.
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