Fibre e tessuti termoregolatori intelligenti sono prodotti high-tech che si sono sviluppati rapidamente negli anni '90 e sono pieni di vitalità. Non solo può migliorare il comfort dell'abbigliamento, ma ha anche un alto valore aggiunto e può ottenere grandi benefici. Con l'introduzione continua di alta e nuova tecnologia in questo campo, i requisiti delle persone per abbigliamento e funzionalità di fascia alta sono aumentati. Lo sviluppo di un nuovo tipo di tessuto in fibra di regolazione della temperatura intelligente a cambiamento di fase ha buone prospettive di sviluppo e ampie prospettive di applicazione.
La storia dello sviluppo della fibra di regolazione della temperatura intelligente a cambiamento di fase
La fibra a cambiamento di fase è un tipo di fibra funzionale per l'accumulo di calore e la regolazione della temperatura sviluppata utilizzando le caratteristiche di rilasciare o assorbire il calore latente e mantenere la temperatura costante durante il cambiamento di fase del materiale.
La ricerca sulla fibra termoregolatrice intelligente a cambiamento di fase è nata negli Stati Uniti negli anni '80. La prima fibra termoregolatrice intelligente a base di fibra acrilica Outlast sviluppata dal progetto di ricerca della National Aeronautics and Space Administration è stata ottenuta aggiungendo microcapsule rivestite con idrocarburo paraffinico di materiale a cambiamento di fase alla soluzione di filatura della fibra acrilica. Le giacche sviluppate dal piano mensile per l'abbigliamento degli astronauti e la protezione degli strumenti di precisione negli esperimenti spaziali sono state sviluppate con successo nel 1988 e utilizzate per uso commerciale per la prima volta nel 1994. Nel 1997, l'Agenzia spaziale statunitense ha fondato Gateway, una società specializzata nella sviluppo e ricerca di fibre termoregolatrici intelligenti. La fibra a base di fibra acrilica Outlast è stata registrata come outlast, che è stata sviluppata per l'abbigliamento generale ed è stata venduta nei mercati statunitensi ed europei. Da allora, la tedesca Kelheim Fiber Company e Outlast Company hanno collaborato per sviluppare la fibra di viscosa Outlast. Si ottiene infatti aggiungendo microcapsule di materiale a cambiamento di fase alla soluzione di filatura della fibra di viscosa. Il suo effetto di isolamento termico raggiunge il 42,5% ed è stato brevettato. .
Attualmente, i materiali a cambiamento di fase vengono utilizzati per lo sviluppo e l'applicazione di fibre di controllo della temperatura intelligenti a cambiamento di fase. Gli Stati Uniti e la Svizzera sono più maturi all'estero. Le fibre per il controllo della temperatura che producono sono principalmente tecnologia di filatura a microcapsule; Anche l'Europa e il Giappone hanno ricerche in questo settore. . La Germania è stata la prima a sviluppare con successo materiali di finitura per microcapsule di accumulo termico di solfato di sodio; in seguito sviluppò tessuti riempiti con solventi e gas inerti in fibre cave. La tecnologia rappresentativa del Giappone'è il rivestimento in microcapsule di impasto liquido sviluppato da Daiwa Chemical Industry.
Tipo di regolazione della temperatura del tessuto in fibra
(1) Fibra termoregolatrice unidirezionale
Questo tipo di fibra ha un'unica funzione di regolazione della temperatura, che può aumentare o diminuire la temperatura. Uno è la fibra riscaldante EKS e Softwarm prodotta da Japan Toyobo Co., Ltd.; l'altro è fibra di lino e fibra di giada con funzione di raffreddamento. Poiché hanno solo un effetto di regolazione della temperatura unidirezionale, queste fibre hanno evidenti carenze. Pertanto, quando la direzione della variazione della temperatura ambientale è opposta alla direzione della regolazione della temperatura, non funzionerà bene e causerà anche conseguenze negative.
(2) Fibra di regolazione della temperatura a due vie
I materiali a cambiamento di fase (materiali a cambiamento di fase, indicati come PCM) che possono regolare indipendentemente gli ambienti freddi e caldi, hanno funzioni di regolazione e adattabilità della temperatura a due vie. Attraverso la produzione e la lavorazione, i PCM vengono aggiunti alla matrice della fibra in una certa forma tecnologica. Quando viene raggiunto il cambiamento di fase A temperatura, può prevenire attivamente fluttuazioni di temperatura eccessive negli indumenti attraverso un riscaldamento discontinuo. L'energia del processo di cambiamento di fase è immagazzinata nel materiale di cambiamento di fase per aumentare la sua capacità termica; quando la temperatura ambiente scende, rilascia in modo intelligente l'energia immagazzinata e può essere utilizzato ripetutamente in un ambiente con oscillazioni di temperatura, quindi è chiamato"Trasformazione intelligente della fibra del termostato (STFT)".
STFT's meccanismo di cambiamento di fase e principio di regolazione della temperatura
STFT è anche chiamato fibra di aria condizionata. Il meccanismo di cambiamento di fase di STFT si riferisce al fatto che in determinate condizioni, quando la temperatura di determinate sostanze è sostanzialmente invariata e lo stato di fase cambia, il calore latente del cambiamento di fase è molto più grande del calore sensibile del cambiamento di fase. La fibra intelligente per la regolazione della temperatura a cambiamento di fase è un nuovo tipo di fibra che utilizza il cambiamento di fase del materiale per rilasciare o assorbire il calore latente per mantenere la temperatura costante. Il cambiamento di fase si manifesta principalmente come la transizione tra liquido e solido, o il cambiamento della fase della struttura cristallo-cristallo, cristallo-liquido e molecolare nel solido, e l'energia termica mantiene la temperatura.
(1) Meccanismo di transizione di fase di STFT
La differenza tra il tessuto in fibra di regolazione della temperatura intelligente a cambiamento di fase e il tessuto in fibra tradizionale risiede nel diverso meccanismo di conservazione del calore. L'abbigliamento termico tradizionale utilizza principalmente metodi di isolamento termico per evitare un'eccessiva riduzione della temperatura della pelle, mentre il meccanismo di isolamento termico delle fibre a cambiamento di fase è insensibile alla deformazione, all'umidità e alla pressione dell'aria e non si sente troppo soffocante o pesante. Può fornire al corpo umano un microclima confortevole. dintorni. Il motivo è che i PCM forniscono una regolazione termica, non un isolamento termico. La realizzazione di questo meccanismo di cambiamento di fase e meccanismo di regolazione della temperatura è che in un ambiente termico, quando viene raggiunta la temperatura di fusione del mezzo di cambiamento di fase, il cristallo del mezzo di cambiamento di fase cambia e la sua catena molecolare vince la forza intermolecolare, la molecola la distanza aumenta e il cristallo fondendosi, la fibra assorbe calore; quando la fibra entra in un ambiente freddo da un ambiente caldo, quando la temperatura è inferiore al punto di cristallizzazione del mezzo a cambiamento di fase, le catene molecolari nel mezzo a cambiamento di fase sono disposte regolarmente per formare cristalli e la fibra rilascia calore; accumulo di energia a cambiamento di fase In questo modo la fibra raggiunge lo scopo di regolazione della temperatura assorbendo e rilasciando calore.
(2) Il principio della regolazione della temperatura di STFT
STFT deriva dal meccanismo di cambiamento di fase dei PCM nel tessuto in fibra. Il processo di assorbimento e rilascio del calore è automatico, reversibile e illimitato. I vantaggi del suo principio di regolazione della temperatura sono: controllo della temperatura per bilanciare la temperatura e il fabbisogno termico adatto al comfort per tutto il giorno; buona resistenza alla temperatura, fornisce un effetto di raffreddamento; assorbire il calore corporeo in eccesso e rilasciarlo quando la temperatura della superficie corporea diminuisce, prevenendo che la superficie corporea sia troppo fredda.
Pertanto, i tessuti in fibra contenenti PCM mantengono la costanza della temperatura corporea tra il corpo umano e l'ambiente esterno indipendentemente dal fatto che la temperatura dell'ambiente esterno aumenti o diminuisca, creando così un"ambiente microclima" per il corpo umano che non è né freddo né caldo.
(3) Lo standard di misurazione della capacità di regolazione della temperatura STFT
La funzione di regolazione della temperatura della fibra di controllo intelligente della temperatura è espressa da"Adaptive Comfort Rating" (Adaptive Comfort Rating), che viene utilizzato per misurare la capacità del prodotto's di assorbire, immagazzinare e rilasciare energia quando appropriato. Maggiore è il livello ACR del prodotto, più confortevole è. Il valore ACR delle fibre tradizionali è vicino allo zero ed è difficile per loro immagazzinare calore.
La selezione della regolazione della temperatura e le prestazioni del tipo dei materiali PCM
La transizione di fase si riferisce al fenomeno che lo stato di fase di determinate sostanze cambia a una certa temperatura. L'energia assorbita o rilasciata durante il cambiamento di fase è chiamata calore di cambiamento di fase (chiamato anche calore latente di cambiamento di fase) e la quantità di calore assorbita e rilasciata durante i cambiamenti di temperatura del materiale è chiamata calore sensibile. Rispetto al calore sensibile, il calore a cambiamento di fase è molto più grande. Pertanto, la selezione dei materiali a cambiamento di fase è il primo passo per preparare fibre e tessuti intelligenti per la regolazione della temperatura.
(1) Selezione dei materiali per il controllo della temperatura a cambiamento di fase
Considerando i requisiti speciali dell'applicazione della fibra e della lavorazione del tessuto, non ci sono molti materiali per il controllo della temperatura a cambiamento di fase che possono essere utilizzati per le fibre del tessuto. Innanzitutto, la temperatura di cristallizzazione (temperatura di mantenimento) del materiale a cambiamento di fase dovrebbe essere appropriata e adatta al campo di applicazione. Prendendo come esempio la fibra ad accumulo di energia a cambiamento di fase, la maggior parte delle fibre ad accumulo di energia a cambiamento di fase fin qui riportate hanno lo svantaggio di una temperatura di cristallizzazione troppo elevata, e non possono essere ben applicate nel campo delle fibre per abbigliamento; in secondo luogo, la lavorabilità della fibra di accumulo di energia a cambiamento di fase, i materiali a cambiamento di fase sono per lo più oligomeri, con peso molecolare relativamente basso, e devono essere considerate la loro stabilità chimica, stabilità termica, filabilità dopo essere stati combinati con la matrice della fibra, ecc.
Principi per lo screening di materiali in fibra a cambiamento di fase adatti per i tessili: (1) Elevata densità di accumulo di energia. Il materiale a cambiamento di fase dovrebbe avere un volume unitario più elevato, un calore latente di cambiamento di fase più elevato per unità di massa e una capacità termica specifica maggiore. (2) Temperatura di transizione di fase. Il punto di fusione dovrebbe soddisfare l'uso di tessuti e indumenti e l'intervallo di temperatura del cambiamento di fase coerente con la temperatura di utilizzo dovrebbe essere selezionato in base a climi e usi diversi. (3) Sicuro e affidabile. Le proprietà chimiche e fisiche dei materiali a cambiamento di fase sono stabili, non corrosive, innocue, non tossiche e non infiammabili. (4) Conducibilità termica. Il materiale a cambiamento di fase dovrebbe avere un'ampia conduttività termica adatta, un'elevata sensibilità ed essere in grado di assorbire e rilasciare rapidamente il calore. (5) Processo di transizione di fase. Il processo di cambiamento di fase dovrebbe essere completamente reversibile e relativo solo alla temperatura. (6) Cambiamenti di volume. Quando la fase cambia, la variazione di volume è piccola. (7) Pressione di cambio di fase. La corrispondente tensione di vapore alla temperatura di lavoro del materiale a cambiamento di fase dovrebbe essere relativamente bassa. (8) Stabilità della transizione di fase. Dopo ripetuti cambi di fase, le prestazioni di accumulo di calore diminuiscono di poco. (9) Densità di transizione di fase. La densità delle due fasi del materiale a cambiamento di fase dovrebbe essere la più grande possibile, in modo da ridurre il costo del contenitore. (10) Sottoraffreddamento a cambio di fase. Piccolo sottoraffreddamento e alto tasso di crescita dei cristalli. (11) Economicamente fattibile.
Nell'effettivo processo di sviluppo, è molto difficile trovare materiali a cambiamento di fase che soddisfino queste condizioni ideali. Pertanto, le persone spesso considerano prima la temperatura di transizione di fase appropriata e il grande calore di transizione di fase, quindi considerano vari fattori globali che influenzano la ricerca e le applicazioni.
(2) Tipi di materiali per il controllo della temperatura a cambiamento di fase
Finora, sono stati sviluppati e applicati più di 500 materiali di termoregolazione a cambiamento di fase (PCM) di tipo singolo, nonché materiali di termoregolazione a cambiamento di fase compositi e qualitativi con caratteristiche di cambiamento di fase uniche sviluppate e applicate attraverso la tecnologia composita. I tipi di materiali per la regolazione della temperatura a cambiamento di fase attualmente sviluppati e applicati sono: ①Diverse classificazioni in base alla temperatura di accumulo del calore dei materiali: In base all'intervallo di temperatura a cambiamento di fase, i materiali per la regolazione della temperatura a cambiamento di fase possono essere suddivisi in tre principali materiali a cambiamento di fase: alta temperatura, media temperatura e bassa temperatura. I materiali a cambiamento di fase ad alta temperatura si riferiscono principalmente ad alcuni sali fusi e materiali in lega metallica; i materiali a cambiamento di fase a media temperatura si riferiscono principalmente ad alcuni sali cristallini idrati, organici e materiali polimerici; i materiali a cambiamento di fase a bassa temperatura si riferiscono principalmente a materiali come ghiaccio e idrogel. ②Diverse classificazioni in base alla forma del cambiamento di fase del materiale: i materiali per il controllo della temperatura a cambiamento di fase possono essere suddivisi in quattro categorie: cambiamento di fase solido-solido, cambiamento di fase solido-liquido, cambiamento di fase solido-gas e materiale a cambiamento di fase liquido-gas. Tra questi, il materiale di accumulo di calore a cambiamento di fase solido-solido non subisce un cambiamento di fase, ma cambia la forma cristallina del materiale a cambiamento di fase. Naturalmente, anche il calore viene assorbito e rilasciato durante il processo di cambiamento della forma dei cristalli. ③Classificato in base alla composizione chimica del materiale: materiale a cambiamento di fase inorganico (I-PCM), materiale a cambiamento di fase organico (O-PCM), materiale a cambiamento di fase composito (C-PCM) e materiale a cambiamento di fase qualitativo (Q-PCM).
Di seguito è riportata una descrizione dei materiali a cambiamento di fase per classificazione della composizione chimica:
A. Materiali di regolazione della temperatura a cambiamento di fase inorganico: i materiali a cambiamento di fase inorganico includono principalmente sostanze inorganiche come sale idrato cristallino, sale fuso e lega metallica. I più tipici di questi sono i sali idrati cristallini, che hanno un grande calore di fusione e un punto di fusione fisso. La sua essenza si riferisce alla temperatura alla quale l'acqua cristallina viene rimossa e l'acqua cristallina rimossa può dissolvere il sale e assorbire calore. Quando la temperatura si abbassa, avviene il processo inverso, assorbendo acqua cristallina ed esotermica. Il meccanismo di transizione di fase è espresso come segue: AB·mH2O→AB+mH2O+Q, AB·mH2O→AB·pH2O+(mp)H2O+Q, dove m e p sono il numero di acqua cristallina e Q è il calore di fusione.
Le sostanze di questo tipo più comunemente utilizzate sono gli idrati di alogenuri, solfati, fosfati, nitrati, acetati e carbonati di metalli alcalini e alcalino terrosi e quelli rappresentativi sono: Na2SO4·10H2O , Mg(NO3)2·6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2·6H2O, CaBr2·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O, NH4Al(SO4)2·12H2O, Na2S2O3·5H2O, ecc.
B. Materiali organici per il controllo della temperatura a cambiamento di fase
Tali materiali a cambiamento di fase sono comunemente usati: paraffina, acidi carbossilici, idrocarburi alifatici superiori, acidi grassi o loro esteri o sali, alcoli, idrocarburi aromatici, chetoni aromatici, ammidi, freon e acidi polidrossicarbonici, ecc.; Inoltre, le macromolecole includono: poliolefine, polipolioli, polienoli, acidi polienoici, poliammidi e altre macromolecole.
C. Materiali compositi per il controllo della temperatura a cambiamento di fase
I materiali compositi per il controllo della temperatura a cambiamento di fase si riferiscono principalmente a sistemi misti generali o sistemi eutettici di composti binari o multipli con proprietà simili, materiali a cambiamento di fase solido-liquido con forma stabile e materiali a cambiamento di fase compositi inorganici e organici. I materiali compositi a cambiamento di fase hanno generalmente due forme: una è una miscela di due materiali a cambiamento di fase; l'altro è un materiale a cambiamento di fase sagomato. Sebbene la miscelazione dei due materiali a cambiamento di fase sia semplice da produrre, presenta gli svantaggi dei materiali a cambiamento di fase generali, come la necessità di incapsulamento, che è soggetto a perdite e non sicuro da usare.
D. Materiali qualitativi per il controllo della temperatura a cambiamento di fase
Questo tipo di materiale per il controllo della temperatura a cambiamento di fase è un materiale per il controllo della temperatura misto composto da materiale a cambiamento di fase e polimero. Il materiale a cambiamento di fase è generalmente acido organico paraffinico, ecc. Il materiale polimerico è generalmente HDPE (polietilene ad alta densità, che ha un punto di fusione più elevato, come supporto), quest'ultimo viene utilizzato come supporto e materiale sigillante per contenere la fase cambiare materia in ciascuno dei suoi microspazi. Pertanto, quando il materiale a cambiamento di fase subisce un cambiamento di fase, il materiale di controllo della temperatura a cambiamento di fase qualitativo può mantenere una certa forma e nessun materiale a cambiamento di fase perderà.
Rispetto ai normali materiali a cambiamento di fase, la regolazione qualitativa della temperatura a cambiamento di fase non richiede attrezzature per l'imballaggio, il che riduce i costi di imballaggio e le difficoltà di imballaggio, evita il rischio di perdite di materiale, aumenta la sicurezza dell'uso del materiale e riduce la resistenza al trasferimento di calore del contenitore, Che è favorevole allo scambio di calore tra il materiale a cambiamento di fase e il fluido termovettore.
(3) Materiali per la regolazione della temperatura a cambiamento di fase utilizzati per le fibre dei tessuti
Poiché il corpo principale di questo articolo spiega che il tessuto in fibra PCM risolve principalmente la temperatura e l'energia del cambiamento di fase che il corpo umano è comodo da indossare, quindi i materiali a cambiamento di fase applicabili (PCM) sono molto limitati. Attualmente, i principali PCM sviluppati a livello internazionale sono classificati come segue in base alla loro tipologia, composizione e prestazioni:
①Materiale inorganico a cambiamento di fase (I-PCM)
Composizione: come sale idrato Na2HPO4·12H2O, CaCl2·6H2O, Na2SO4·10H2O, ecc. Le sue prestazioni: temperatura inferiore a 35℃; energia 120J/g～300J/g; segno ciclico {{14}}; segno reattivo ++; le caratteristiche sono il prezzo basso, l'elevata densità di accumulo di calore, la grande conduttività termica; il problema è la concentrazione di energia e il sottoraffreddamento Grandi, facili da separare, scarse prestazioni di accumulo di calore.
②Materiali a cambiamento di fase organici (O-PCM)
A. Composizione: idrocarburo paraffinico, grasso organico CnH2n+2, CnH2nO2, ecc. La sua prestazione: temperatura 18℃～40℃; energia 200J/g～300J/g; segno di ciclicità +++; segno di reattività ++; la caratteristica è che il calore di fusione è grande, ma è freddo e non precipita; il problema è che la conduttività termica è piccola, la densità è piccola.
B. Composizione: Polioli: PG, NPG, PEG, ecc. Le sue prestazioni: temperatura 24℃～40℃; energia 100J/g～300J/g; segno di ciclo ++++; segno reattivo ++; le caratteristiche sono piccola deformazione e sottoraffreddamento, alta efficienza termica, lunga durata; il problema è ad alta temperatura è cristallo di plastica, facile perdita volatile.
③Materiale a cambiamento di fase composito (C-PCM)
Composizione: composito inorganico, organico, materiale composito di accumulo di energia (CESM), ecc. Le sue prestazioni: temperatura -140℃～670℃; energia 100J/g～500J/g; marcatura ciclica ; marcatura reattiva ++++; caratteristiche di alta densità di accumulo di energia, trasferimento di calore rapido, elaborazione stabile e facile.
(4) Metodi di prova per la stabilità della regolazione della temperatura dei materiali a cambiamento di fase
La stabilità della regolazione della temperatura è il prerequisito principale per l'uso di materiali a cambiamento di fase nei tessuti in fibra, in particolare la stabilità della regolazione della temperatura dei materiali a cambiamento di fase compositi (C-PCM) e dei materiali a cambiamento di fase qualitativi (Q-PCM). Di seguito viene introdotto un cambiamento di fase. Il metodo di prova per la stabilità dei materiali compositi termoregolatori include le seguenti procedure:
Preparare i campioni: distribuire uniformemente il peso standard del materiale composito termoregolatore a cambiamento di fase nell'area di prova del materiale composito termoregolatore a cambiamento di fase al centro della carta da filtro standard per preparare il campione da testare;
Cuocere il campione: spostare il campione da testare nel forno e cuocerlo a una temperatura costante di 40℃～50℃ per 5-12 ore, quindi estrarre il campione;
Osservazione del campione: osservare l'essudazione del componente del fluido di lavoro per la regolazione della temperatura a cambiamento di fase al di fuori dell'area di prova del materiale composito per la regolazione della temperatura a cambiamento di fase sulla carta da filtro e misurare i diametri massimo e minimo del cerchio di essudazione formato all'esterno l'area di prova. Il diametro medio del circolo di essudazione è calcolato dal diametro massimo e dal diametro minimo del circolo di essudazione.