服裝材料論文材料學概論論文新型服裝材料——相變材料

1、 服裝材料論文材料學概論論文：新型服裝材料相變材料摘要 本文論述了相變材料的特點及作用機理,重點說明了微膠囊相變材料在服裝中的應用及調(diào)溫過程,并展望了其良好前景。 關(guān)鍵詞 相變材料 微膠囊相變材料 前景 1 相變材料 相變材料PCMs(Phase Change Materials)是指在一定狹窄明確的溫度范圍,即通常所說的相變范圍內(nèi)可以改變物理狀態(tài),如從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的材料。在相變過程中,體積變化很小,熱焓高,因此以潛熱形式從周圍環(huán)境吸收或釋放大量熱量,熱的吸收量或釋放量比一般加熱和冷卻過程要大得多,而此時PCMs的溫度保持不變或恒定。在服裝上應用時,相轉(zhuǎn)變溫度范圍應和人體溫度

2、變化范圍相似,以利于保持恒定的皮膚溫度。我們最常見的相變材料就是水:當溫度低至0時,水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),當溫度高于0時,水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。在結(jié)冰過程中吸入并儲存了大量的冷能量,而在溶解過程中會吸收大量的熱能量。冰的數(shù)量(體積)越大,溶解過程需要的時間越長。這是相變材料的一個最典型示例。從水的例子中可以看出,相變材料的這種特性在節(jié)能,溫度控制等領(lǐng)域有著極大的實踐意義,實際上可作為能量存儲器來使用。因此,相變材料及其應用已成為廣泛的研究課題。對紡織領(lǐng)域來講,相變材料尚屬新型材料,其在紡織服裝領(lǐng)域內(nèi)大有用武之地。該材料可廣泛應用于制冷業(yè)、長期室外作業(yè)人員,以及特種行業(yè),如坦克兵、航天員的服裝使用材料。

3、相變材料主要分為三種,由于相變材料在液態(tài)時易于流動散失,在服裝上使用必須采用微膠囊相變材料。 2 相變材料的分類 2.1無機相變材料和有機相變材料 硫酸鈉基防護服可以用到無機相變材料,其相變溫度為15,相變焓為18OJ/g,目前已進入實際應用階段。該材料以硫酸鈉鹽為主相變劑,用添加劑來控制材料的熔點,改善材料的形態(tài),提高材料的綜合性能,找出影響材料性能因素及最佳工藝控制條件,掌握了材料的加工工藝、制備溫度、存儲方法等手段。大量研究表明,所得到的材料在保證了必要相變溫度的條件下,仍有較大的相變焓,同時,在長期使用的過程中也確實表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。 經(jīng)大量研究表明,以醇為主相變劑,高級烷烴等為輔

4、相變劑,得到相變溫度為23,相變焓達到200J/g-220J/g的有機相變材料,是一種較好的制備方法;通過用DSC和TG對相變材料的熱穩(wěn)定性、重復穩(wěn)定性和膨脹性進行的分析表明,該材料是一種膨脹率低、穩(wěn)定性很好的相變材料。 2.2微膠囊相變材料 相變材料在液態(tài)時易于流動散失,在服裝上使用必須采用微膠囊相變材料MPCMs(Microencapsulation of Phase Change Materials)。微膠囊相變材料是將微膠囊技術(shù)應用于相變材料而形成的新型復合相變材料,微膠囊化是將直徑11000um的固體或液體粒子埋入硬殼的物理和化學過程。得到微膠囊的物理工藝包括噴射烘干、離心流動床或涂

5、層?；瘜W工藝是通過界面縮聚以聚酰胺或聚亞氮酯為殼,反應原理是通過使用水溶聚合物和高速攪拌機將一種油類乳化在水中形成所需類型的穩(wěn)定乳狀液。加入可溶的三聚氰胺甲醛樹脂。由于加入酸的作用引起縮聚反應,交聯(lián)樹脂開始形成,并且沉積在油滴和水相界面之間。在殼壁硬化期間,就形成了微膠囊結(jié)構(gòu)和聚合物油滴膠囊的水中分散。 紡織品使用的MPCMs直徑為人發(fā)直徑的1/2,有時只有人發(fā)直徑的1/20,這些小容器非常象裝滿了相變材料的乒乓球,殼體不僅小,而且經(jīng)久耐用,可以填充卻不會溶解。這種MPCMs可放人纖維和泡沫中,或作為涂層材料用于多種織物和泡沫材料,并且能經(jīng)受進一步的紡織機械加工、熱和化學處理等。 3 相變材料

6、的作用機理 當環(huán)境溫度或人體皮膚溫度達到服裝內(nèi)MPCMs溶點,其吸熱從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)。在服裝層內(nèi)產(chǎn)生短暫的致冷效果(見圖1)。熱能可能來自人體也可能來自外界溫暖環(huán)境。一旦PCMs完全溶解,儲能結(jié)束。如果PCMs服裝在低于PCMs冰點溫度的寒冷環(huán)境中使用,服裝溫度低于轉(zhuǎn)換溫度,液態(tài)MPCMs將變回固態(tài),釋放出能量提供短暫的加熱效果(見圖2)。這種熱轉(zhuǎn)換在服裝內(nèi)起緩沖作用,減小皮膚溫度的變化,延長穿著者的熱舒適感。 如果在服裝上使用,希望其相變溫度在33。但是所使用的MPCMs相變溫度不一定就是33,而是比這一溫度高幾度和低幾度的MPCMs混合后應用于服裝。只有這個溫度下,一半的固態(tài)相變材料吸熱溶

7、解成液態(tài),不至使皮膚溫度過高,而另一半的液態(tài)放熱凝固成固態(tài),釋放熱量,不至使皮膚溫度下降過低。 4 微膠囊相變材料服裝 由于相轉(zhuǎn)變過程比較短暫,在恒溫環(huán)境中PCMs沒有任何作用。因此,穿著者必須活動以引起PCMs面料的溫度變化或者經(jīng)常在有溫差的兩個環(huán)境中工作,以保證PCMs發(fā)生相變吸熱或放熱。此外,含PCMs的服裝層必須具有熱量傳導作用,能讓PCMs感受到溫度的變化。 4.1改變環(huán)境溫度 有些人需要不停地從冷庫或運輸車到室內(nèi)或外界溫暖環(huán)境工作。PCMs防護服可以為這些在溫度變化環(huán)境中工作的人提供舒適。在這些使用場合中,PCMs的相變溫度應該設(shè)定為溫暖環(huán)境時液態(tài),寒冷環(huán)境時固態(tài)。 PCMs面料的

8、研發(fā)與生產(chǎn)人員聲稱該面料具有動態(tài)保曖性,在寒冷環(huán)境中比常規(guī)保曖材料的保曖時間更長,并且使用PCMs面料作戶外服裝可減小重量和體積。毫無疑問,相變材料從液態(tài)到固態(tài)要釋放能量,然而只有PCMs在服裝生成足夠的熱量以彌補人體向環(huán)境散失的熱量時,其才能有效改善服裝的熱舒適性。即使所有的服裝均使用PCMs,當穿著者從室內(nèi)到室外時,也并不是所有的PCMs發(fā)生相變。熱量從溫暖的人體流向冷環(huán)境,從皮膚表面經(jīng)服裝層到外界環(huán)境存在著溫度梯度。即使人進入更冷環(huán)境,但內(nèi)衣層與人體皮溫接近,PCMs仍處于液態(tài)。而服裝外層的PCMs已遇冷固化放出熱量。PCMs固化后,放熱就停止了。因此,有一定厚度的保曖系統(tǒng)在持續(xù)冷暴露時

9、能有效維持熱舒適性。 當人們穿著防火服在高溫下短時間作業(yè)時,PCMs可以提供短暫的致冷效果維持人體舒適和安全。此時并不需要PCMs凝固放熱,石蠟基PCMs的加入會增加面料的可燃性,所以只能在防火面料里層使用。 有些工作需要不時的接觸冷或熱的物體,因此PCMs手套的相變溫度設(shè)定在環(huán)境溫度與冷或熱物體的溫度之間。如果工人反復的短時間接觸物體,PCMs的相變就可以發(fā)生,溫度緩沖作用得以繼續(xù),手套里層必需使用薄面料。 4.2改變皮膚溫度 某些工作和運動要求人們時動時靜。人體活動越劇烈,產(chǎn)熱越多。只有活動程度和代謝產(chǎn)熱發(fā)生變化時PCMs才能改善人體的舒適度。PCMs服裝能吸收人體由于運動產(chǎn)生的大量體熱,提供暫時的涼爽效果。當人體處于安靜狀態(tài)時PCMs重新固化放出熱量(假設(shè)空氣溫度低于皮膚溫度),這就稱為PCMs的熱調(diào)節(jié)效應。在這種情況下使用的PCMs的轉(zhuǎn)變溫度必須設(shè)定在人體代謝產(chǎn)熱變化時最高與最低皮溫之間。在運動時人體的皮膚溫度變化只有幾度,但是卻會產(chǎn)生大量的體熱。例如,在下坡滑雪運動中的