Intelligente temperaturregulerende fibre og tekstiler er højteknologiske produkter, der udviklede sig hurtigt i 1990'erne og er fulde af vitalitet. Det kan ikke kun forbedre bekvemmeligheden ved tøj, men har også en høj merværdi og kan opnå store fordele. Med den kontinuerlige introduktion af høj og ny teknologi på dette område er folks' s krav til avanceret tøj og funktionalitet steget. Udviklingen af en ny type faseændrings intelligent temperaturregulerende fiberstof har en god udviklingsudsigt og brede anvendelsesmuligheder.
Udviklingshistorikken for faseændring intelligent temperaturregulerende fiber
Faseændringsfibre er en slags funktionel fiberopbevaring og temperaturregulering, der er udviklet ved hjælp af egenskaberne ved frigivelse eller absorption af latent varme og temperaturen konstant under materialets faseændring.
Forskningen af intelligente temperaturregulerende fibre med faseændring stammer fra USA i 1980'erne. Den første Outlast akrylfiberbaserede intelligente temperaturregulerende fiber udviklet af National Aeronautics and Space Administration forskningsprojekt blev opnået ved at tilsætte mikrokapsler overtrukket med faseændringsmateriale paraffinhydrocarbon til den acrylfiberspindende opløsning. Jakkerne, der blev udviklet af månedsplanen for astronautbeklædning og beskyttelse af præcisionsinstrumenter i rumeksperimenter, blev med succes udviklet i 1988 og brugt til kommerciel brug for første gang i 1994. I 1997 oprettede US Space Agency Gateway, et firma med speciale i udvikling og forskning af intelligente temperaturregulerende fibre. Outlast akrylfiberbaseret fiber blev registreret som outlast, som blev udviklet til almindelig beklædning og blev solgt på det amerikanske og europæiske marked. Siden da har det tyske Kelheim Fiber Company og Outlast Company samarbejdet om at udvikle Outlast viskosefibre. Faktisk opnås det ved at tilsætte mikrokapsler med faseændringsmateriale til den spindende opløsning af viskosefiber. Dens varmeisoleringseffekt når 42,5% og er patenteret. .
På nuværende tidspunkt anvendes faseændringsmaterialer til udvikling og anvendelse af intelligente temperaturkontrolfibre til faseændring. USA og Schweiz er mere modne i fremmede lande. De temperaturkontrolfibre, de producerer, er hovedsageligt mikrokapsel-spindingsteknologi; Europa og Japan har også forskning inden for dette område. . Tyskland var den første til succesfuldt at udvikle natrium sulfat varme lagring mikrokapsel efterbehandling materialer; senere udviklede det stoffer fyldt med opløsningsmidler og inerte gasser i hule fibre. Japan' s repræsentative teknologi er mikrokapselopslæmningsbelægningen udviklet af Daiwa Chemical Industry.
Type temperaturregulering af fiberstof
(1) Envejs temperaturregulerende fiber
Denne type fiber har en enkelt temperaturreguleringsfunktion, som kan øge eller sænke temperaturen. Den ene er varmefibren EKS og softwarm produceret af Japan Toyobo Co., Ltd. den anden er hørfiber og jadefiber med kølefunktion. Fordi de kun har en envejs temperaturreguleringseffekt, har disse fibre åbenlyse mangler. Derfor, når retningen for miljøtemperaturændring er modsat retningen af temperaturjustering, fungerer den ikke godt og endda medfører negative konsekvenser.
(2) Tovejs temperaturregulerende fiber
Faseændringsmaterialer (Faseændringsmaterialer, kaldet PCM'er), der uafhængigt kan justere de kolde og varme omgivelser, har tovejs temperaturjustering og tilpasningsfunktioner. Gennem produktion og forarbejdning tilføjes PCM'er til fibermatrixen i en bestemt teknologisk form. Når faseændringen er nået ved temperatur, kan den aktivt forhindre overdrevne temperatursvingninger i tøjet gennem diskontinuerlig opvarmning. Faseskiftprocessens energi lagres i faseændringsmaterialet for at øge dets varmekapacitet; når den omgivende temperatur falder, vil den intelligent frigive sin lagrede energi og kan bruges gentagne gange i et temperaturoscillationsmiljø, så den kaldes" Smart termostat fiber transformation (STFT)" ;.
STFT' s faseændringsmekanisme og temperaturreguleringsprincip
STFT kaldes også air conditioning fiber. Faseændringsmekanismen for STFT henviser til det faktum, at under visse betingelser, når temperaturen på visse stoffer grundlæggende er uændret, og fasetilstanden ændres, er den latente varme ved faseændring meget større end den fornuftige varme ved faseændring. Faseændring intelligent temperaturjusterende fiber er en ny type fiber, der bruger materialefaseændring til at frigive eller absorbere latent varme for at holde temperaturen konstant. Faseændringen manifesteres hovedsageligt som overgangen mellem flydende og fast stof eller ændringen af krystalkrystal-, krystal-væske- og molekylæraggregationsstrukturfasen i det faste stof, og den termiske energi opretholder temperaturen.
(1) Faseovergangsmekanisme for STFT
Forskellen mellem intelligent temperaturregulerende fiberstof med faseændring og traditionelt fiberstof ligger i den forskellige varmebevaringsmekanisme. Traditionel beklædning med varmeisolering bruger hovedsagelig varmeisoleringsmetoder for at undgå overdreven reduktion af hudtemperaturen, mens den termiske isoleringsmekanisme for faseskiftende fibre er ufølsom over for deformation, fugt og lufttryk og ikke føles for tøs eller tung. Det kan give menneskekroppen et behageligt mikroklima. omgivelser. Årsagen er, at PCM'er giver termisk regulering, ikke varmeisolering. Realiseringen af denne faseændringsmekanisme og temperaturjusteringsmekanismen er, at i et termisk miljø, når faseskiftemediets smeltetemperatur nås, ændres faseskiftmediets krystal, og dets molekylære kæde overvinder den intermolekylære kraft, den afstand øges, og krystallsmeltningen absorberer fiberen varme; når fiberen kommer ind i et koldt miljø fra et varmt miljø, når temperaturen er lavere end krystallisationspunktet for faseændringsmediet, er de molekylære kæder i faseændringsmediet regelmæssigt arrangeret til at danne krystaller, og fiberen frigiver varme; faseændring energilagring På denne måde opnår fiberen formålet med temperaturregulering ved at absorbere og frigive varme.
(2) Princippet om temperaturregulering af STFT
STFT kommer fra PCMs faseændringsmekanisme i fiberstoffet. Processen med varmeabsorption og varmeudgivelse er automatisk, reversibel og ubegrænset. Fordelene ved dets temperaturreguleringsprincip er: temperaturregulering for at afbalancere temperaturen og de varmekrav, der er velegnede til komfort hele dagen; god temperaturmodstand, giver en køleeffekt; absorbere overskydende kropsvarme og frigive den, når kropsoverfladetemperaturen falder, hvilket forhindrer Kropsoverfladen er for kold.
Derfor opretholder fibertekstiler, der indeholder PCM, konstanten af kropstemperaturen mellem den menneskelige krop og det ydre miljø, uanset om temperaturen i det ydre miljø stiger eller falder, hvorved der skabes et" mikroklimatmiljø" for den menneskelige krop, der hverken er kold eller varm.
(3) Målestandarden for STFT-temperaturreguleringsevne
Temperaturjusteringsfunktionen for den intelligente temperaturreguleringsfiber udtrykkes med" Adaptiv komfortvurdering" (Adaptive Comfort Rating) -værdi, der bruges til at måle produktets&# 39 evne til at absorbere, lagre og frigive energi, når det er relevant. Jo højere ACR-niveauet på produktet er, jo mere behageligt er det. ACR-værdien af traditionelle fibre er tæt på nul, og det er svært for dem at opbevare varme.
Valg af temperaturjustering og typeydelse for PCM-materialer
Faseovergang refererer til fænomenet, at visse stoffers fasetilstand ændres ved en bestemt temperatur. Den energi, der absorberes eller frigives under faseændring kaldes faseændringsvarme (også kaldet latent varme ved faseændring), og mængden af varme, der absorberes og frigives under materialetemperaturændringer kaldes fornuftig varme. Sammenlignet med fornuftig varme er faseændringsvarmen meget større. Derfor er valget af faseændringsmaterialer det første skridt til at forberede smarte temperaturregulerende fibre og tekstiler.
(1) Valg af faseændringsmaterialer til temperaturkontrol
I betragtning af de særlige krav til fiberpåføring og tekstilbearbejdning er der ikke mange temperaturændringsmaterialer til faseskift, der kan bruges til tekstilfibre. Først og fremmest bør krystallisationstemperaturen (holdetemperatur) for faseændringsmaterialet være passende og egnet til anvendelsesområdet. Når vi tager et eksempel på faseopbevaringsenergilagringsfiber, har de fleste af de hidtil rapporterede energilagringsfibre med faseændring ulempen ved for høj krystallisationstemperatur, og de kan ikke anvendes godt inden for beklædningsfibre; for det andet er bearbejdeligheden af faseændringsenergilagringsfiber, faseændringsmaterialer for det meste oligomerer med relativt lav molekylvægt, og deres kemiske stabilitet, termiske stabilitet, spindbarhed efter at være kombineret med fibermatricen osv. skal overvejes.
Principper for screening af faseskiftende fibermaterialer, der er egnede til tekstiler: (1) Høj energilagringstæthed. Faseskiftematerialet skal have et højere enhedsvolumen, en højere latent faseændringsvarme pr. Masseenhed og en større specifik varmekapacitet. (2) Faseovergangstemperatur. Smeltepunktet skal imødekomme brugen af tekstiler og beklædning, og temperaturændringsfasen for faseændring, der er i overensstemmelse med brugstemperaturen, skal vælges efter forskellige klimaer og anvendelser. (3) Sikker og pålidelig. De kemiske og fysiske egenskaber ved faseændringsmaterialer er stabile, ikke-ætsende, harmløse, ikke-giftige og ikke-brandfarlige. (4) Varmeledningsevne. Faseskiftematerialet skal have en stor passende varmeledningsevne, høj følsomhed og være i stand til hurtigt at absorbere og frigive varme. (5) Faseovergangsproces. Faseændringsprocessen skal være fuldstændig reversibel og kun relateret til temperatur. (6) Volumenændringer. Når fasen ændres, er volumenændringen lille. (7) Faseskifttryk. Det tilsvarende damptryk ved arbejdstemperaturen for faseændringsmaterialet skal være relativt lavt. (8) Faseovergangsstabilitet. Efter gentagne faseændringer forringes varmelagringsydelsen lidt. (9) Faseovergangstæthed. Densiteten af de to faser af faseændringsmaterialet skal være så stor som muligt for at reducere omkostningerne ved beholderen. (10) Faseændring superkøling. Lille underkøling og høj krystalvækst. (11) Økonomisk gennemførlig.
I den aktuelle udviklingsproces er det meget vanskeligt at finde faseskiftende materialer, der opfylder disse ideelle betingelser. Derfor overvejer folk ofte først den passende faseovergangstemperatur og storfaseovergangsvarme og derefter overveje forskellige omfattende faktorer, der påvirker forskning og applikationer.
(2) Typer af faseændringsmaterialer til temperaturkontrol
Indtil videre er der mere end 500 enkeltformede termoreguleringsmaterialer (PCM'er), der er udviklet og anvendt, såvel som kompositte og kvalitative termoreguleringsmaterialer med faseændring med unikke faseændringsegenskaber udviklet og anvendt gennem kompositteknologi. Typerne af faseskiftende temperaturregulerende materialer, der aktuelt er udviklet og anvendt, er: ①Differente klassifikationer i henhold til materialernes varmelagringstemperatur: I henhold til faseændringstemperaturområdet kan faseskiftende temperaturregulerende materialer opdeles i tre hovedtyper faseændringsmaterialer: høj temperatur, medium temperatur og lav temperatur. Faseændringsmaterialer ved høj temperatur henviser hovedsageligt til nogle smeltede salte og metallegeringsmaterialer; faseændringsmaterialer til medium temperatur henviser hovedsageligt til nogle krystalhydrerede salte, organiske og polymere materialer; Faseændringsmaterialer ved lav temperatur henviser hovedsageligt til materialer såsom is og hydrogel. Forskellige klassifikationer i henhold til formen af materialefaseændring: Faseændringstemperaturstyringsmaterialer kan opdeles i fire kategorier: fast-fast faseændring, fast-væske-faseændring, fast-gas-faseændring og flydende-gas-faseændringsmateriale. Blandt dem gennemgår faststof-fast faseændringsvarmelagermaterialet ikke en faseændring, men krystalformen af faseændringsmaterialet ændres. Naturligvis absorberes og frigives varme også under processen med krystalformændring. Klassificeret i henhold til materialets kemiske sammensætning: uorganisk faseændringsmateriale (I-PCM), organisk faseændringsmateriale (O-PCM), sammensat faseskiftemateriale (C-PCM) og kvalitativt faseskiftemateriale (Q-PCM).
Følgende er en beskrivelse af faseændringsmaterialer efter kemisk sammensætningsklassificering:
A. Uorganiske faseændrings temperaturregulerende materialer: Uorganiske faseændringsmaterialer inkluderer hovedsageligt uorganiske stoffer såsom krystallinsk hydratiseret salt, smeltet salt og metallegering. De mest typiske af disse er krystallinske hydratiserede salte, som har en stor fusionsvarme og et fast smeltepunkt. Dets essens henviser til den temperatur, hvorved krystalvandet fjernes, og det fjernede krystalvand kan opløse saltet og absorbere varme. Når temperaturen sænkes, sker den omvendte proces, der absorberer krystalvand og eksoterm. Faseovergangsmekanismen udtrykkes som følger: AB · mH2O → AB + mH2O + Q, AB · mH2O → AB · pH2O + (mp) H2O + Q, hvor m og p er antallet af krystalvand, og Q er fusionsvarmen.
De mest almindeligt anvendte stoffer af denne type er hydraterne af alkalimetal- og jordalkalimetalhalogenider, sulfater, phosphater, nitrater, acetater og carbonater, og de repræsentative er: Na2SO4 · 10H2O, Mg (NO3) 2 · 6H2O, MgCl2Cl 6H2O, CaCl2 · 6H2O, CaBr2 · 6H2O, Zn (NO3) 2 · 6H2O, NH4Al (SO4) 2 · 12H2O, Na2S2O3 · 5H2O osv.
B. Organiske faseændringsmaterialer til temperaturkontrol
Sådanne faseændringsmaterialer anvendes almindeligvis: paraffin, carboxylsyrer, højere alifatiske carbonhydrider, fedtsyrer eller deres estere eller salte, alkoholer, aromatiske carbonhydrider, aromatiske ketoner, amider, freoner og polyhydroxy-carbonsyrer osv .; Derudover inkluderer makromolekyler: polyolefiner, polypolyoler, polyenoler, polyenosyrer, polyamider og andre makromolekyler.
C. Temperaturkontrolmaterialer til sammensat faseændring
Kompatible faseændrings temperaturkontrolmaterialer henviser hovedsageligt til generelle blandede systemer eller eutektiske systemer af binære eller multiple forbindelser med lignende egenskaber, faste-flydende faseændringsmaterialer med stabil form og uorganiske og organiske sammensatte faseændringsmaterialer. Kompositfaseskiftematerialer har generelt to former: den ene er en blanding af tofaseskiftematerialer; den anden er et formet faseændringsmateriale. Selvom blandingen af de tofaseskiftematerialer er enkel at fremstille, har den ulemperne ved generelle faseskiftematerialer, såsom behovet for indkapsling, som er tilbøjelig til lækage og usikker at bruge.
D. Kvalitative faseændringsmaterialer til temperaturkontrol
Denne type faseændrings temperaturkontrolmateriale er et blandet temperaturkontrolmateriale sammensat af faseskiftemateriale og polymer. Faseændringsmaterialet er generelt paraffinorganisk syre osv. Polymermaterialet er generelt HDPE (højdensitetspolyethylen, som har et højere smeltepunkt, Som bærer), sidstnævnte anvendes som et understøtnings- og forseglingsmateriale til at indeholde fasen ændre materiale i hvert af dets mikrorum. Derfor, når faseændringsmaterialet gennemgår en faseændring, kan det kvalitative faseskiftstemperaturstyringsmateriale opretholde en bestemt form, og intet faseændringsmateriale lækker.
Sammenlignet med almindelige faseændringsmaterialer kræver kvalitativ faseændringstemperaturregulering ikke emballageudstyr, hvilket reducerer emballageomkostninger og emballeringsproblemer, undgår risikoen for materialelækage, øger sikkerheden ved materialeanvendelse og reducerer beholderens varmeoverførselsmodstand. Hvilket er befordrende for varmevekslingen mellem faseændringsmaterialet og varmeoverføringsvæsken.
(3) Faseændrende temperaturregulerende materialer anvendt til stoffibre
Da hoveddelen af denne artikel forklarer, at PCM-fiberstof hovedsagelig løser faseforandringstemperaturen og energien, som den menneskelige krop er behagelig at bære, så de relevante faseændringsmaterialer (PCM'er) er meget begrænsede. På nuværende tidspunkt er de vigtigste internationalt udviklede PCM'er klassificeret som følger efter deres type, sammensætning og ydeevne:
① Uorganisk faseændringsmateriale (I-PCM)
Sammensætning: såsom hydreret salt Na2HPO4 · 12H2O, CaCl2 · 6H2O, Na2SO4 · 10H2O osv. Dens ydeevne: temperatur under 35 ℃; energi 120J / g ～ 300J / g; cyklisk mærke {{14}} lydhør mærke ++; karakteristika er lav pris, høj varmelagringstæthed, stor varmeledningsevne; problemet er energikoncentration og underkøling Stor, let at adskille, dårlig varmelagringsydelse.
MaterialsOrganiske faseændringsmaterialer (O-PCM)
A. Sammensætning: paraffinhydrocarbon, organisk fedt CnH2n+2, CnH2nO2 osv. Dens ydeevne: temperatur 18 ℃ ～ 40 ℃; energi 200J / g ～ 300J / g; cyklisitetsmærke +++; lydhørhedsmærke ++; karakteristikken er, at fusionsvarmen er stor, men den er kold og udfælder ikke; problemet er, at varmeledningsevnen er lille, densiteten er lille.
B. Sammensætning: Polyoler: PG, NPG, PEG osv. Dens ydeevne: temperatur 24 ℃ ～ 40 ℃; energi 100J / g ～ 300J / g; cyklusmærke ++++; lydhør mærke ++; karakteristika er lille deformation og underkøling, høj termisk effektivitet, lang levetid; problemet er høj temperatur er plastkrystal, let til flygtigt tab.
OmpComposite faseændringsmateriale (C-PCM)
Sammensætning: uorganisk, organisk komposit, energilagringskompositmateriale (CESM) osv. Dens ydeevne: temperatur -140 ℃ ～ 670 ℃; energi 100J / g ～ 500J / g; cyklisk mærkning ++++; lydhør markering ++++; egenskaber ved høj energilagringstæthed, hurtig varmeoverførsel, stabil, nem behandling.
(4) Testmetoder til temperaturregulering af faseskiftematerialer
Temperaturreguleringsstabilitet er den primære forudsætning for anvendelse af faseskiftematerialer i fibertekstiler, især temperaturreguleringsstabiliteten af sammensatte faseskiftematerialer (C-PCM) og kvalitative faseskiftematerialer (Q-PCM). En faseændring introduceres nedenfor. Testmetoden til stabilitet af temperaturregulerende kompositmaterialer inkluderer følgende procedurer:
Forbered prøver: Spred standardvægten af det faseskiftende temperaturregulerende kompositmateriale jævnt i testområdet for det faseændrende temperaturregulerende kompositmateriale i midten af standardfilterpapiret for at forberede prøven, der skal testes;
②Bag prøven: flyt prøven, der skal testes, ind i ovnen og bages den ved en konstant temperatur på 40 40 ～ 50 ℃ i 5-12 timer, og tag derefter prøveprøven ud;
③Observation af prøven: Overhold ekssudationen af den faseændrende temperaturregulerende arbejdsfluidkomponent uden for testområdet for det faseændrende temperaturregulerende kompositmateriale på filterpapiret, og mål den maksimale og minimale diameter af ekssudationscirklen dannet uden for testområdet. Den gennemsnitlige diameter af ekssudationscirklen beregnes af den maksimale diameter og den mindste diameter af ekssudationscirklen.