服裝材料論文材料學(xué)概論論文新型服裝材料——相變材料

1、 服裝材料論文材料學(xué)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(diǎn)及作用機(jī)理,重點(diǎn)說(shuō)明了微膠囊相變材料在服裝中的應(yīng)用及調(diào)溫過(guò)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(shuō)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(guò)程中,體積變化很小,熱焓高,因此以潛熱形式從周?chē)h(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(guò)程要大得多,而此時(shí)PCMs的溫度保持不變或恒定。在服裝上應(yīng)用時(shí),相轉(zhuǎn)變溫度范圍應(yīng)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(jiàn)的相變材料就是水:當(dāng)溫度低至0時(shí),水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),當(dāng)溫度高于0時(shí),水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。在結(jié)冰過(guò)程中吸入并儲(chǔ)存了大量的冷能量,而在溶解過(guò)程中會(huì)吸收大量的熱能量。冰的數(shù)量(體積)越大,溶解過(guò)程需要的時(shí)間越長(zhǎng)。這是相變材料的一個(gè)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(shí)踐意義,實(shí)際上可作為能量存儲(chǔ)器來(lái)使用。因此,相變材料及其應(yīng)用已成為廣泛的研究課題。對(duì)紡織領(lǐng)域來(lái)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(yīng)用于制冷業(yè)、長(zhǎng)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(shí)易于流動(dòng)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(lèi) 2.1無(wú)機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料 硫酸鈉基防護(hù)服可以用到無(wú)機(jī)相變材料,其相變溫度為15,相變焓為18OJ/g,目前已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。該材料以硫酸鈉鹽為主相變劑,用添加劑來(lái)控制材料的熔點(diǎn),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(chǔ)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(shí),在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中也確實(shí)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(jí)烷烴等為輔

4、相變劑,得到相變溫度為23,相變焓達(dá)到200J/g-220J/g的有機(jī)相變材料,是一種較好的制備方法;通過(guò)用DSC和TG對(duì)相變材料的熱穩(wěn)定性、重復(fù)穩(wěn)定性和膨脹性進(jìn)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(shí)易于流動(dòng)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(yīng)用于相變材料而形成的新型復(fù)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(xué)過(guò)程。得到微膠囊的物理工藝包括噴射烘干、離心流動(dòng)床或涂

5、層?；瘜W(xué)工藝是通過(guò)界面縮聚以聚酰胺或聚亞氮酯為殼,反應(yīng)原理是通過(guò)使用水溶聚合物和高速攪拌機(jī)將一種油類(lèi)乳化在水中形成所需類(lèi)型的穩(wěn)定乳狀液。加入可溶的三聚氰胺甲醛樹(shù)脂。由于加入酸的作用引起縮聚反應(yīng),交聯(lián)樹(shù)脂開(kāi)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(shí)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(huì)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(jìn)一步的紡織機(jī)械加工、熱和化學(xué)處理等。 3 相變材料

6、的作用機(jī)理 當(dāng)環(huán)境溫度或人體皮膚溫度達(dá)到服裝內(nèi)MPCMs溶點(diǎn),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(jiàn)圖1)。熱能可能來(lái)自人體也可能來(lái)自外界溫暖環(huán)境。一旦PCMs完全溶解,儲(chǔ)能結(jié)束。如果PCMs服裝在低于PCMs冰點(diǎn)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(jiàn)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(zhǎng)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(yīng)用于服裝。只有這個(gè)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(guò)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(guò)低。 4 微膠囊相變材料服裝 由于相轉(zhuǎn)變過(guò)程比較短暫,在恒溫環(huán)境中PCMs沒(méi)有任何作用。因此,穿著者必須活動(dòng)以引起PCMs面料的溫度變化或者經(jīng)常在有溫差的兩個(gè)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(dǎo)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(kù)或運(yùn)輸車(chē)到室內(nèi)或外界溫暖環(huán)境工作。PCMs防護(hù)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(chǎng)合中,PCMs的相變溫度應(yīng)該設(shè)定為溫暖環(huán)境時(shí)液態(tài),寒冷環(huán)境時(shí)固態(tài)。 PCMs面料的

8、研發(fā)與生產(chǎn)人員聲稱(chēng)該面料具有動(dòng)態(tài)保曖性,在寒冷環(huán)境中比常規(guī)保曖材料的保曖時(shí)間更長(zhǎng),并且使用PCMs面料作戶(hù)外服裝可減小重量和體積。毫無(wú)疑問(wèn),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(bǔ)人體向環(huán)境散失的熱量時(shí),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(dāng)穿著者從室內(nèi)到室外時(shí),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(jìn)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(shí)

9、能有效維持熱舒適性。 當(dāng)人們穿著防火服在高溫下短時(shí)間作業(yè)時(shí),PCMs可以提供短暫的致冷效果維持人體舒適和安全。此時(shí)并不需要PCMs凝固放熱,石蠟基PCMs的加入會(huì)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(shí)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(fù)的短時(shí)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(yùn)動(dòng)要求人們時(shí)動(dòng)時(shí)靜。人體活動(dòng)越劇烈,產(chǎn)熱越多。只有活動(dòng)程度和代謝產(chǎn)熱發(fā)生變化時(shí)PCMs才能改善人體的舒適度。PCMs服裝能吸收人體由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量體熱,提供暫時(shí)的涼爽效果。當(dāng)人體處于安靜狀態(tài)時(shí)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(chēng)為PCMs的熱調(diào)節(jié)效應(yīng)。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(shí)最高與最低皮溫之間。在運(yùn)動(dòng)時(shí)人體的皮膚溫度變化只有幾度,但是卻會(huì)產(chǎn)生大量的體熱。例如,在下坡滑雪運(yùn)動(dòng)中的