Fibras e têxteis reguladores de temperatura inteligentes são produtos de alta tecnologia que se desenvolveram rapidamente na década de 1990 e estão cheios de vitalidade. Pode não apenas melhorar o conforto da roupa, mas também tem alto valor agregado e pode alcançar grandes benefícios. Com a introdução contínua de alta e nova tecnologia neste campo, os requisitos das pessoas' s para roupas e funcionalidade de alta qualidade aumentaram. O desenvolvimento de um novo tipo de tecido de fibra reguladora de temperatura inteligente com mudança de fase tem uma boa perspectiva de desenvolvimento e amplas perspectivas de aplicação.
A história do desenvolvimento da fibra reguladora de temperatura inteligente de mudança de fase
A fibra de mudança de fase é um tipo de fibra funcional de armazenamento de calor e regulação de temperatura desenvolvida usando as características de liberação ou absorção de calor latente e manutenção da temperatura constante durante a mudança de fase do material.
A pesquisa da fibra reguladora de temperatura inteligente para mudança de fase teve origem nos Estados Unidos na década de 1980. A primeira fibra reguladora de temperatura inteligente baseada em fibra acrílica Outlast desenvolvida pelo projeto de pesquisa da National Aeronautics and Space Administration foi obtida adicionando microcápsulas revestidas com hidrocarboneto de parafina de material de mudança de fase à solução de fiação de fibra acrílica. As jaquetas desenvolvidas pelo plano do mês para roupas de astronautas e proteção de instrumentos de precisão em experimentos espaciais foram desenvolvidas com sucesso em 1988 e usadas para uso comercial pela primeira vez em 1994. Em 1997, a Agência Espacial dos Estados Unidos estabeleceu a Gateway, uma empresa especializada em desenvolvimento e pesquisa de fibras reguladoras de temperatura inteligentes. A fibra à base de fibra acrílica Outlast foi registrada como outlast, a qual foi desenvolvida para roupas em geral e era vendida nos mercados dos Estados Unidos e da Europa. Desde então, a German Kelheim Fiber Company e a Outlast Company têm cooperado para desenvolver a fibra de viscose Outlast. Na verdade, é obtido pela adição de microcápsulas de material de mudança de fase à solução de fiação de fibra de viscose. Seu efeito de isolamento térmico chega a 42,5% e foi patenteado. .
Atualmente, os materiais de mudança de fase são usados para o desenvolvimento e aplicação de fibras de controle inteligente de temperatura de mudança de fase. Os Estados Unidos e a Suíça são mais maduros em países estrangeiros. As fibras de controle de temperatura que eles produzem são principalmente tecnologia de fiação de microcápsula; A Europa e o Japão também têm pesquisas nessa área. . A Alemanha foi a primeira a desenvolver com sucesso materiais de acabamento para microcápsulas de armazenamento de calor de sulfato de sódio; posteriormente, desenvolveu tecidos preenchidos com solventes e gases inertes em fibras ocas. A tecnologia representativa do Japão' é o revestimento de pasta de microcápsula desenvolvido pela Daiwa Chemical Industry.
Tipo de regulação de temperatura do tecido de fibra
(1) Fibra reguladora de temperatura unidirecional
Este tipo de fibra possui uma única função de regulação da temperatura, que pode aumentar ou diminuir a temperatura. Uma é a fibra de aquecimento EKS e Softwarm produzida pela Japan Toyobo Co., Ltd .; a outra é a fibra de linho e a fibra de jade com função de resfriamento. Como elas têm um efeito de regulação de temperatura unilateral, essas fibras têm deficiências óbvias. Portanto, quando a direção da mudança de temperatura ambiental é oposta à direção do ajuste de temperatura, ela não funcionará bem e até mesmo causará consequências adversas.
(2) Fibra reguladora de temperatura bidirecional
Materiais de mudança de fase (materiais de mudança de fase, referidos como PCMs) que podem ajustar independentemente os ambientes frios e quentes, têm ajuste de temperatura bidirecional e funções de adaptabilidade. Por meio da produção e do processamento, os PCMs são adicionados à matriz da fibra de uma determinada forma tecnológica. Quando a mudança de fase é alcançada em temperatura, pode prevenir ativamente flutuações excessivas de temperatura na roupa por meio de aquecimento descontínuo. A energia do processo de mudança de fase é armazenada no material de mudança de fase para aumentar sua capacidade de calor; quando a temperatura ambiente cai, ele libera de forma inteligente sua energia armazenada e pode ser usado repetidamente em um ambiente de oscilação de temperatura, por isso é denominado&transformação de fibra termostática inteligente (STFT) &.
STFT' s mecanismo de mudança de fase e princípio de regulação de temperatura
STFT também é chamada de fibra de ar condicionado. O mecanismo de mudança de fase do STFT refere-se ao fato de que sob certas condições, quando a temperatura de certas substâncias é basicamente inalterada e o estado de fase muda, o calor latente da mudança de fase é muito maior do que o calor sensível da mudança de fase. A fibra de ajuste de temperatura inteligente com mudança de fase é um novo tipo de fibra que usa a mudança de fase do material para liberar ou absorver o calor latente para manter a temperatura constante. A mudança de fase se manifesta principalmente como a transição entre o líquido e o sólido, ou a mudança da fase do cristal-cristal, do cristal-líquido e da estrutura de agregação molecular no sólido, e a energia térmica mantém a temperatura.
(1) Mecanismo de transição de fase de STFT
A diferença entre o tecido de fibra regulador de temperatura inteligente com mudança de fase e o tecido de fibra tradicional está no mecanismo de preservação de calor diferente. As roupas de isolamento térmico tradicionais usam principalmente métodos de isolamento térmico para evitar a redução excessiva da temperatura da pele, enquanto o mecanismo de isolamento térmico das fibras de mudança de fase é insensível à deformação, umidade e pressão do ar e não parece muito abafado ou pesado. Pode fornecer ao corpo humano um microclima confortável. arredores. O motivo é que os PCMs fornecem regulação térmica, não isolamento térmico. A realização desse mecanismo de mudança de fase e mecanismo de ajuste de temperatura é que, em um ambiente térmico, quando a temperatura de fusão do meio de mudança de fase é atingida, o cristal do meio de mudança de fase muda e sua cadeia molecular supera a força intermolecular, a a distância aumenta, e o cristal derretendo, a fibra absorve calor; quando a fibra entra em um ambiente frio vindo de um ambiente quente, quando a temperatura é inferior ao ponto de cristalização do meio de mudança de fase, as cadeias moleculares no meio de mudança de fase são regularmente organizadas para formar cristais e a fibra libera calor; armazenamento de energia de mudança de fase Desta forma, a fibra atinge o objetivo de regulação da temperatura, absorvendo e liberando calor.
(2) O princípio de regulação de temperatura de STFT
STFT vem do mecanismo de mudança de fase do PCM no tecido de fibra. O processo de absorção e liberação de calor é automático, reversível e ilimitado. As vantagens de seu princípio de regulação de temperatura são: controle de temperatura para equilibrar a temperatura e os requisitos de calor adequados para o conforto durante todo o dia; boa resistência à temperatura, fornece um efeito de resfriamento; absorver o excesso de calor corporal e liberá-lo quando a temperatura da superfície corporal diminuir, evitando que a superfície corporal fique muito fria.
Portanto, os têxteis de fibra contendo PCMs mantêm a constância da temperatura corporal entre o corpo humano e o ambiente externo, independentemente se a temperatura do ambiente externo aumenta ou diminui, criando assim um&ambiente de microclima &. para o corpo humano que não é nem frio nem quente.
(3) O padrão de medição da capacidade de regulação de temperatura STFT
A função de ajuste de temperatura da fibra de controle inteligente de temperatura é expressa por&Adaptive Comfort Rating" (Adaptive Comfort Rating) valor, que é usado para medir a capacidade do produto' de absorver, armazenar e liberar energia quando apropriado. Quanto mais alto o nível de ACR do produto, mais confortável ele é. O valor ACR das fibras tradicionais é próximo de zero e é difícil para elas armazenar calor.
A seleção de ajuste de temperatura e desempenho de tipo de materiais PCMs
A transição de fase refere-se ao fenômeno de que o estado de fase de certas substâncias muda a uma determinada temperatura. A energia absorvida ou liberada durante a mudança de fase é chamada de calor de mudança de fase (também chamado de calor latente de mudança de fase), e a quantidade de calor absorvido e liberado durante as mudanças de temperatura do material é chamada de calor sensível. Comparado com o calor sensível, o calor de mudança de fase é muito maior. Portanto, a seleção de materiais de mudança de fase é o primeiro passo para preparar fibras e têxteis reguladores de temperatura inteligentes.
(1) Seleção de materiais de controle de temperatura de mudança de fase
Considerando os requisitos especiais de aplicação de fibra e processamento de tecido, não existem muitos materiais de controle de temperatura de mudança de fase que possam ser usados para fibras de tecido. Em primeiro lugar, a temperatura de cristalização (temperatura de manutenção) do material de mudança de fase deve ser apropriada e adequada para o campo de aplicação. Tomando a fibra de armazenamento de energia de mudança de fase como um exemplo, a maioria das fibras de armazenamento de energia de mudança de fase relatadas até agora têm a desvantagem de temperatura de cristalização muito alta e não podem ser bem aplicadas no campo das fibras de vestuário; em segundo lugar, a processabilidade da fibra de armazenamento de energia de mudança de fase. Os materiais de mudança de fase são principalmente oligômeros, com peso molecular relativamente baixo, e sua estabilidade química, estabilidade térmica, capacidade de fiação após serem combinados com a matriz de fibra, etc. devem ser considerados.
Princípios para a seleção de materiais de fibra de mudança de fase adequados para têxteis: (1) Alta densidade de armazenamento de energia. O material de mudança de fase deve ter uma unidade de volume maior, um maior calor latente de mudança de fase por unidade de massa e uma maior capacidade de calor específico. (2) Temperatura de transição de fase. O ponto de fusão deve atender ao uso de têxteis e roupas, e a faixa de temperatura de mudança de fase consistente com a temperatura de uso deve ser selecionada de acordo com os diferentes climas e usos. (3) Seguro e confiável. As propriedades químicas e físicas dos materiais de mudança de fase são estáveis, não corrosivos, inofensivos, não tóxicos e não inflamáveis. (4) Condutividade térmica. O material de mudança de fase deve ter uma grande condutividade térmica adequada, alta sensibilidade e ser capaz de absorver e liberar calor rapidamente. (5) Processo de transição de fase. O processo de mudança de fase deve ser completamente reversível e relacionado apenas à temperatura. (6) Alterações de volume. Quando a fase muda, a mudança de volume é pequena. (7) Pressão de mudança de fase. A pressão de vapor correspondente na temperatura de trabalho do material de mudança de fase deve ser relativamente baixa. (8) Estabilidade de transição de fase. Após repetidas mudanças de fase, o desempenho do armazenamento de calor diminui pouco. (9) Densidade de transição de fase. A densidade das duas fases do material de mudança de fase deve ser a maior possível, de modo a reduzir o custo do contêiner. (10) Super-resfriamento de mudança de fase. Pequeno sub-resfriamento e alta taxa de crescimento de cristal. (11) Economicamente viável.
No processo de desenvolvimento real, é muito difícil encontrar materiais de mudança de fase que atendam a essas condições ideais. Portanto, as pessoas geralmente consideram primeiro a temperatura de transição de fase apropriada e o grande calor de transição de fase e, em seguida, consideram vários fatores abrangentes que afetam a pesquisa e as aplicações.
(2) Tipos de materiais de controle de temperatura de mudança de fase
Até agora, existem mais de 500 materiais de termorregulação de mudança de fase (PCMs) de tipo único que foram desenvolvidos e aplicados, bem como materiais termorreguladores de mudança de fase qualitativos e compostos com características únicas de mudança de fase desenvolvidos e aplicados por meio de tecnologia composta. Os tipos de materiais reguladores de temperatura de mudança de fase atualmente desenvolvidos e aplicados são: ① Classificações diferentes de acordo com a temperatura de armazenamento de calor dos materiais: De acordo com a faixa de temperatura de mudança de fase, os materiais reguladores de temperatura de mudança de fase podem ser divididos em três grandes materiais de mudança de fase: alta temperatura, temperatura média e baixa temperatura. Os materiais de alta temperatura com mudança de fase referem-se principalmente a alguns sais fundidos e materiais de ligas metálicas; os materiais de mudança de fase de temperatura média referem-se principalmente a alguns sais hidratados de cristal, orgânicos e materiais poliméricos; materiais de mudança de fase de baixa temperatura referem-se principalmente a materiais como gelo e hidrogel. ②Diferentes classificações de acordo com a forma de mudança de fase do material: Os materiais de controle de temperatura de mudança de fase podem ser divididos em quatro categorias: mudança de fase sólido-sólido, mudança de fase sólido-líquido, mudança de fase sólido-gás e material de mudança de fase líquido-gás. Entre eles, o material de armazenamento de calor de mudança de fase sólido-sólido não sofre uma mudança de fase, mas a forma cristalina do material de mudança de fase muda. Obviamente, o calor também é absorvido e liberado durante o processo de mudança da forma do cristal. ③Classificado de acordo com a composição química do material: material de mudança de fase inorgânica (I-PCM), material de mudança de fase orgânica (O-PCM), material de mudança de fase composto (C-PCM) e material de mudança de fase qualitativa (Q-PCM).
A seguir está uma descrição dos materiais de mudança de fase por classificação de composição química:
A. Materiais reguladores de temperatura de mudança de fase inorgânica: Os materiais de mudança de fase inorgânica incluem principalmente substâncias inorgânicas, como sal hidratado cristalino, sal fundido e liga metálica. Os mais típicos são os sais hidratados cristalinos, que possuem um grande calor de fusão e um ponto de fusão fixo. Sua essência se refere à temperatura na qual a água cristalina é removida, e a água cristalina removida pode dissolver o sal e absorver o calor. Quando a temperatura é abaixada, ocorre o processo inverso, absorvendo água cristalina e exotérmica. O mecanismo de transição de fase é expresso da seguinte forma: AB · mH2O → AB + mH2O + Q, AB · mH2O → AB · pH2O + (mp) H2O + Q, onde m e p são o número de água cristalina e Q é o calor de fusão.
As substâncias deste tipo mais comumente utilizadas são os hidratos de metais alcalinos e haletos de metais alcalino-terrosos, sulfatos, fosfatos, nitratos, acetatos e carbonatos, e os representativos são: Na2SO4 · 10H2O, Mg (NO3) 2 · 6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2 · 6H2O, CaBr2 · 6H2O, Zn (NO3) 2 · 6H2O, NH4Al (SO4) 2 · 12H2O, Na2S2O3 · 5H2O, etc.
B. Materiais de controle de temperatura de mudança de fase orgânica
Esses materiais de mudança de fase são comumente usados: parafina, ácidos carboxílicos, hidrocarbonetos alifáticos superiores, ácidos graxos ou seus ésteres ou sais, álcoois, hidrocarbonetos aromáticos, cetonas aromáticas, amidas, freons e ácidos poli-hidroxicarbônicos, etc .; Além disso, as macromoléculas incluem: poliolefinas, polipolióis, polienóis, ácidos polienoicos, poliamidas e outras macromoléculas.
C. Materiais compostos de controle de temperatura de mudança de fase
Materiais compostos de controle de temperatura de mudança de fase referem-se principalmente a sistemas mistos gerais ou sistemas eutéticos de compostos binários ou múltiplos com propriedades semelhantes, materiais de mudança de fase sólido-líquido com forma estável e materiais de mudança de fase compostos inorgânicos e orgânicos. Os materiais compostos de mudança de fase geralmente têm duas formas: uma é uma mistura de dois materiais de mudança de fase; o outro é um material de mudança de fase moldado. Embora a mistura dos dois materiais de mudança de fase seja simples de fabricar, ela tem as desvantagens dos materiais de mudança de fase gerais, como a necessidade de encapsulamento, que é propenso a vazamentos e inseguro de usar.
D. Materiais de controle de temperatura de mudança de fase qualitativa
Este tipo de material de controle de temperatura de mudança de fase é um material de controle de temperatura misto composto de material de mudança de fase e polímero. O material de mudança de fase é geralmente ácido orgânico de parafina, etc. O material de polímero é geralmente HDPE (polietileno de alta densidade, que tem um ponto de fusão mais alto, como um suporte), este último é usado como um suporte e material de vedação para conter a fase mudar o material em cada um de seus microespaços. Portanto, quando o material de mudança de fase passa por uma mudança de fase, o material de controle de temperatura de mudança de fase qualitativa pode manter uma certa forma e nenhum material de mudança de fase vazará.
Em comparação com materiais de mudança de fase comuns, a regulação qualitativa de temperatura de mudança de fase não requer equipamento de embalagem, o que reduz os custos de embalagem e as dificuldades de embalagem, evita o risco de vazamento de material, aumenta a segurança de uso do material e reduz a resistência à transferência de calor do contêiner, O que é propício para a troca de calor entre o material de mudança de fase e o fluido de transferência de calor.
(3) Materiais reguladores de temperatura de mudança de fase usados para fibras de tecido
Como o corpo principal deste artigo explica que o tecido de fibra de PCMs resolve principalmente a temperatura de mudança de fase e a energia que o corpo humano é confortável de usar, então os materiais de mudança de fase aplicáveis (PCMs) são muito limitados. Atualmente, os principais PCMs desenvolvidos internacionalmente são classificados da seguinte forma de acordo com seu tipo, composição e desempenho:
① Material de mudança de fase inorgânica (I-PCM)
Composição: como sal hidratado Na2HPO4 · 12H2O, CaCl2 · 6H2O, Na2SO4 · 10H2O, etc. Seu desempenho: temperatura abaixo de 35 ℃; energia 120J / g ～ 300J / g; marca cíclica {{14}}; marca responsiva ++; as características são baixo preço, alta densidade de armazenamento de calor, grande condutividade térmica; o problema é a concentração de energia e o subresfriamento Grande, fácil de separar, baixo desempenho de armazenamento de calor.
② Materiais de mudança de fase orgânica (O-PCM)
A. Composição: hidrocarboneto de parafina, gordura orgânica CnH2n+2, CnH2nO2, etc. Seu desempenho: temperatura 18 ℃ ～ 40 ℃; energia 200J / g ～ 300J / g; marca de ciclicidade +++; marca de responsividade ++; a característica é que o calor de fusão é grande, mas é frio e não precipita; o problema é que a condutividade térmica é pequena, A densidade é pequena.
B. Composição: Polióis: PG, NPG, PEG, etc. Seu desempenho: temperatura 24 ℃ ～ 40 ℃; energia 100J / g ～ 300J / g; marca do ciclo ++++; marca responsiva ++; as características são pequena deformação e subresfriamento, alta eficiência térmica, longa vida; o problema é que a alta temperatura é o cristal de plástico, fácil de perder voláteis.
③ Material composto de mudança de fase (C-PCM)
Composição: inorgânico, composto orgânico, material composto de armazenamento de energia (CESM), etc. Seu desempenho: temperatura -140 ℃ ～ 670 ℃; energia 100J / g ～ 500J / g; marcação cíclica ++++; marcação responsiva ++++; características de alta densidade de armazenamento de energia, rápida transferência de calor, processamento estável e fácil.
(4) Métodos de teste para estabilidade de regulação de temperatura de materiais de mudança de fase
A estabilidade da regulação da temperatura é o pré-requisito primário para o uso de materiais de mudança de fase em têxteis de fibra, especialmente a estabilidade da regulação da temperatura de materiais compostos de mudança de fase (C-PCM) e materiais de mudança de fase qualitativa (Q-PCM). Uma mudança de fase é apresentada a seguir. O método de teste para a estabilidade de materiais compósitos reguladores de temperatura inclui os seguintes procedimentos:
①Preparar amostras: Dispersar o peso padrão do material composto de regulação de temperatura de mudança de fase uniformemente na área de teste do material composto de regulação de temperatura de mudança de fase no centro do papel de filtro padrão para preparar a amostra a ser testada;
② Asse a amostra: mova a amostra a ser testada para o forno e asse a uma temperatura constante de 40 ℃ ～ 50 ℃ por 5-12 horas e, em seguida, retire a amostra de teste;
③ Observando a amostra: Observe a exsudação do componente de fluido de trabalho regulador de temperatura de mudança de fase fora da área de teste do material composto de regulação de temperatura de mudança de fase no papel de filtro e meça os diâmetros máximo e mínimo do círculo de exsudação formado fora a área de teste. O diâmetro médio do círculo de exsudação é calculado pelo diâmetro máximo e o diâmetro mínimo do círculo de exsudação.