相变材料在纺织服装中的应用.pdf

收稿日期:2002-05-19作者简介:张萍丽(1975-)女,陕西宝鸡市人,西安工程技术学院在读研究生,主修专业为服装工程。相变材料在纺织服装中的应用张萍丽 刘静伟(西安工程科技学院 西安 710048)摘要从相变材料的概念、调温机理、对人体的作用、当温度转变时的热转移效果几方面综述了相变材料的特性,并探讨了相变材料在纺织服装上,期望相转变材料在纺织服装上开发成功。关键词:相变材料;调温机理;应用文章编号:1002-3348(2002)04-0050-04相变材料PCMs(phase change materi2als)是一种利用相变潜热来贮能和放能的化学材料,是近三十年来国内外科技工作者广泛重视的研究课题。20世纪70年代末80年代初1,美国航空航天局(NASA)空间研究所开发此项目,选择一种适合室内温度范围的相变材料,利用其存储和释放潜热的性能,将相变材料包封入微胶囊,采用各种方式加入纺织品中,制成的纺织品具有温度调节功能并申请了专利。最初的目的是为了更好地保护宇航员和珍贵设备,使他们免受外界太空温度急剧变化的影响。近十几年来2,各国研究人员先后采用多种工艺路线开发调节温度的纺织品,发表了许多这方面的专利和研究报告,尤其是20世纪末,在相变材料的开发应用方面,取得了突破性的进展。国内研究起步较晚,天津、广州有关院所做了许多工作。但是,目前都与大批量的工业化生产还有很大距离。1 相变材料(PCMs)的分类相变材料在自然界中存在的形式各种各样,迄今为止,已有超过500种的天然和合成相变材料被人们掌握和了解3。人们按相变温度的范围,将相变材料分为三类:高温、中温和低温相变材料。按相变材料的组成成份将相变材料分为两类:有机类和无机类。按相变的方式,将相变材料分为四类:固 固相变,固 液相变,固 气相变,及液 气相变材料。由于后两种相变方式在相变过程中,伴随有大量气体的存在,使材料体积变化较大。因此,尽管它们相变焓较大,但在实际中很少应用。常用的052002年8月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.就是固 固相变和固 液相变材料4。目前 国 内 外 研 制 的 这 类 相 变 材 料 主 要有411:111 无机类无机类相变材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类等。其中最典型的是结晶水合盐类,它们有较大的熔解热和固定的熔点(实际上是脱出结晶水的温度变化:脱出的结晶水使盐溶解而吸热,降温是其发生逆过程,吸收结晶水而放热)。具有代表性的有:Na2SO410H2O,MgCl26H2O等水合盐类。结晶水合盐类通常是中、低温相变储能材料中的重要一类,优点是:使用范围广、导热系数大(与有机类相变材料相比)、溶解热较大、密度大(单位体积的储热密度大)、一般成中性、价格较便宜。但是,这类材料通常存在两个问题:一是过冷现象,另一个问题是出现相分离。112 有机类这类相变材料常用的有;高级脂肪烃类、醇类、高级烷烃类。其中典型的有CnH2n+2、CnH2nO2等。有机类相变材料具有的优点有:在固体状态时成型性较好,一般不容易出现过冷现象和相分离。而缺点是:导热系数小,单位体积的储能能力较小,熔点较低,不适于高温场合中应用。2 含相变材料(PCMs)的调温机理含有这种相变材料(PCMs)的纺织品在外界环境温度升高时,相变材料吸收热量,从固态变为液态,降低了体表温度。相反,当外界环境温度降低时,相变材料放出热量,从液态变为固态,减少了人体向周围放出的热量,以保持人体正常体温,为人体提供舒适的“衣内微气候”环境,使人体始终处于一种舒适的状态2。相变材料应用于纺织品中,主要通过将相变材料包封在一载体系统中 直径1101010m的微胶囊中2,对织物进行涂层或将微胶囊混入纺丝液中进行纺丝。用在纺织上的相变材料主要是石蜡类烷烃,石蜡具有不同的熔点和结晶点,改变相变材料中不同种烷烃的混合比例,可以得到纺织服装所需的相变温度发生范围。而且石蜡无毒性,不腐蚀,不吸湿,其热性能在长期使用中保持稳定1。因此,选择石蜡类烷烃,作为纺织服装上应用的相变材料较多见者。穿着含有包封相变材料的服装,可以根据外界温度的变化,在一定温度范围内,自由调节服装内部温度。当人体穿着这种材料从室内进入到较冷的室外环境中时,并不是所有微囊中的相变材料都发生相变。当热量从皮肤表面散发到冷环境中时,存在一个温度变化梯度,不管产生多少热量,靠近最外层的服装是不会达到皮肤温度的,相变材料可能呈固态;而最内层接近皮肤的温度,相变材料处于液态,在这种固液混合状态下,相变材料就像一个“恒温器”,有助于阻止热量通过皮肤散发,对穿着者来说,达到了调节体表温度的作用。这种相变材料在皮肤和外界环境之间创造一种动力学平衡,对外界环境温度的变化起到缓冲作用。3 相变材料(PCMs)的选择相变材料是利用相变潜能储存和释放热量的。因此,在相变材料的研制中,选择一种合适的相变材料至关重要。不论开发何种相变材料,理想的、具有实用价值的相变材料,必须具有以下性质41112:(1)具有大的贮能容量。也就是说必须有高的相变潜热,而且还要求以单位质量和单位体积计算的相变潜热都足够大。(2)选取的相变材料必须适合具体应用的要求。如作为温度调节服用的在2529 之间。而用于电子元件散热降温的相变材料在4080 之间等。(3)化学和物理稳定性:相变材料必须无毒、无腐蚀性、无危险性,成本低、制造方便。15北京纺织 第23卷 第4期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.(4)相转变过程必须完全可逆。过冷或过热现象小,而且正过程和逆过程的方向仅仅以温度决定。(5)适宜的热传导系数,以便较快地吸收和释放热量。(6)体积变化小。过大的相变体积是许多材料没有实用价值的主要原因。然而在实际研制中,要找到满足这些条件的相变材料非常难。因此人们往往先考虑有合适的相变温度和较大的相变潜热,而后考虑各种影响研究和应用的综合性条件。4 相变材料(PCMs)对人体的作用功能人体通过皮肤感受温度的变化。当一个人处于热平衡时,感觉舒适的平均温度是3314,身体任何部位的皮肤温度与皮肤平均温度的差别在115310范围内,人体感觉舒适。若温度范围超过 415,人体将有冷暖感10。因此,人们根据人体皮肤的这一特点,将相变材料应用在纺织服装上,选择相转变温度范围接近于人体皮肤的温度变化范围的相变材料,就可以达到使人体感觉舒适的效果。相变材料的有效性取决于相变材料的温度变化范围和热焓值。为了达到人体所需的温度范围,人们对相变材料进行研究,选择了适合纺织服装使用的三种不同的相变材料6:1813329144,用于严寒气候。2616737178,用于温暖气候。3212243133,用于大运动量和炎热气候。为了有效利用相变材料的热效应,应选择与使用温度相互一致的相变温度范围。美国Kansas州立大学的Shim等人5,用电脑控制的人体模型与相邻的两个测试室:暖室和冷室对人体模型从较暖环境到较冷环境中的热效应进行了测试。我们得知:人体模型穿着含有相变材料微胶囊的服装,与未含相变材料的对照服装相比,其热阻值比未含相变材料的对照服装要高。含相变材料的是1157CLO,而未含相变材料的是1148CLO;当人体模型从热到冷环境后,含相变材料的服装在最初的15min内产生了平均615w的热效应。相反,当人体模型从冷到热环境中时,含相变材料的服装产生平均716w的凉效应。这种效应使得人体得到较舒适的“衣内微气候”环境,使人体皮肤表面温度处于较舒适的状态。含相变材料的服装对穿着者在外界环境的温度变化时,有一热缓冲效果。这也正体现了相变材料的调温机理。而且,Shim等人同时也测试了当人体模型穿含有两层相变材料的服装和穿两层未含相变材料的服装的作用效果。其结果表明:(1)相变材料与外界相互作用的过程越长,穿着者热舒适感觉时间就越长。(2)含相变材料的数量越多,同一时间内,能起作用的相变材料也就越多,引起温度调节的效果越明显。(3)即使当穿着者在较低温度的户外环境中,处于静止或休息状态时,相变材料所储存的热量会重新释放给人体,能使穿着者保持较长时间的舒适性。5 相变材料(PCMs)在服装上的应用由于相变材料的诸多优越性,目前已在航空航天、制冷、电子元件的热调控材料、太阳能存储、建筑材料以及日常生活用品等很多行业应用12。在纺织服装方面,制成自动调温的服装,根据外界环境的温度变化,为人体提供一个舒适的微气候环境,在人体与外界环境之间,对人体体温起到积极的调节作用。应用在运动性服装中,相变材料吸收运动员剧烈运动产生的大量热量,使得穿着者避免了过快的体温上升出现的高温现象,对运动员造成不良的影响。在服饰方面,制成滑雪服、滑雪靴、手套、袜类,根据人体头部或脚部过热与发冷的情况,相变材料可以吸收存储和重新释放身体的热量,使头和脚始终保持较舒适的状态。在理疗上,利用相变材252002年8月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.料温度调控性能,已制成多种温度段和适合人体部位形态的热敷袋,还制成始终保持在舒适温度的被褥12,以及用于丧失体温调节机能的病人服装等,对病人的病情起到良好的辅助治疗作用。对于在纺织服装上应用的固 液型相变材料,今后的研究方向为4:(1)如何选取相变材料的包封材料,提高导热性。(2)改变其液相的粘度、流动性。(3)如何防止过冷现象和长期使用出现相分离。(4)相变速度的提高。6 前景随着科技的进步和各个学科的交叉互补,对纺织服装的研究,其本身已不是传统意义上的纺织服装业,而是进入了一个新的领域,向着高功能、高附加值方面发展。尤其是随着微胶囊技术、纳米技术等的不断深入完善,以及应用范围的不断扩大,相变材料在使用过程中的种种问题:纺织服装上应用的固 液相变材料呈液相状态时,必须用包封材料包装,提高了应用的困难,限制了它的使用范围12。还有过冷现象,相变材料呈固态时热导阻力大等问题,目前尚无好的方法解决。但随着科技的发展,和在相变材料应用方面的进一步深入研究,这些问题必然会解决,具有实用价值的调温纺织品完全有可能进入日常生活,相信不远的将来,这种相变材料在我国的应用会进一步得到发展。参考文献1 B1Pause1 相变材料用于空调建筑的可能性J.国际纺织导报,2001(2)12石海峰,张兴祥 1 蓄热调温纺织品的研究与开发现状J ,纺织学报 12001(5)13石海峰,张兴祥 1 微胶囊技术在蓄热调温纺织品中的应用J 1 产业用纺织品,2001(12)0214姜勇,丁恩勇,黎国康 1 相变储能材料的研究进展J.广州化学,1999(3)15 Shim.H.McCullough,E.A.Jones.B.W.Using Phase Change Materials in Clothing J ,Textile Research Journal,2001,71(6):49550216 R.Cox,Outlast2Thermal Regulation Where it isneeded J ,International Man2Made Congress,39th,Sep,1315,2000,917 Pause B.Development of Heat and Cold Insulat2ing Membrane Structures with Phase Change Ma2terial J 1Journal of Coated Fabrics,1995,25(7).8 Jarg,Rupp,InternationalTextilesRegulateBody Temperature J ,InternationalTextileBulletin,1999(1)1 9 Vigo.TL,FrostCM.Temperate2AdaptableFabrics J ,Textile Research Journal11986,56(12):737110张兴祥,朱民儒.新型保温调温功能纤维和纺织品J 1 产业用纺织品,1996(5)111徐伟亮,常低温固 液相变材料的研制和应用 1 现代化工M.1998(4)112 何天白,胡汉杰.功能高分子与新技术M.北京:化工工业出版社,20011Using Phase Change Materials in Textile ClothingZHANG Ping2liLIU Jing2wei(Xian Institute of Science and Technology,Xian,710048)Abstract:From the conception,mechanism of thermal regulating,action to body and thermaltransferredeffect,the characteristics of PCMs are summarized.And the application in textileclothing is alsodiscussed,and the development success of PCMs in textile clothing is expected.Kev words:PCMs,Mechanism of thermal regulating,Application35北京纺织 第23卷 第4期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.