吸热材料
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2023年2月26日发(作者：生而为人什么意思)新型服装材料——相变材料
[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(PhaseChangeMaterials)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(MicroencapsulationofPhaseChangeMaterials)。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乳化在水中形
成所需类型的稳定乳状液。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(见图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(见图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静坐时的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。