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新型服装材料——相变材料
[摘要] 本文论述了相变材料的特点及作用机理,重点说明了微胶囊相变材料在服装中的应用及调温过程,并展望了其良好前景。
[关键词] 相变材料微胶囊相变材料前景
1 相变材料
相变材料PCMs(Phase Change Materials)是指在一定狭窄明确的温度范围,即通常所说的相变范围内可以改变物理状态,如从固态转变为液态或从液态变为固态的材料。在相变过程中,体积变化很小,热焓高,因此以潜热形式从周围环境吸收或释放大量热量,热的吸收量或释放量比一般加热和冷却过程要大得多,而此时PCMs的温度保持不变或恒定。在服装上应用时,相转变温度范围应和人体温度变化范围相似,以利于保持恒定的皮肤温度。我们最常见的相变材料就是水:当温度低至0℃时,水由液态变为固态,当温度高于0℃时,水由固态变为液态。在结冰过程中吸入并储存了大量的冷能量,而在溶解过程中会吸收大量的热能量。冰的数量(体积)越大,溶解过程需要的时间越长。这是相变材料的一个最典型示例。从水的例子中可以看出,相变材料的这种特性在节能,温度控制等领域有着极大的实践意义,实际上可作为能量存储器来使用。因此,相变材料及其应用已成为广泛的研究课题。对纺织领域来讲,相变材料尚属新型材料,其在纺织服装领域内大有用武之地。该材料可广泛应用于制冷业、长期室外作业人员,以及特种行业,如坦克兵、航天员的服装使用材料。相变材料主要分为三种,由于相变材料在液态时易于流动散失,在服装上使用必须采用微胶囊相变材料。
2 相变材料的分类

硫酸钠基防护服可以用到无机相变材料,其相变温度为15℃,相变焓为18OJ/g,目前已进入实际应用阶段。该材料以硫酸钠盐为主相变剂,用添加剂来控制材料的熔点,改善材料的形态,提高材料的综合性能,找出影响材料性能因素及最佳工艺控制条件,掌握了材料的加工工艺、制备温度、存储方法等手段。大量研究表明,所得到的材料在保证了必要相变温度的条件下,仍有较大的相变焓,同时,在长期使用的过程中也确实表现出了较好的稳定性。
经大量研究表明,以醇为主相变剂,高级烷烃等为辅相变剂,得到相变温度为23℃,相变焓达到200J/g-220J/g的有机相变材料,是一种较好的制备方法;通过用DSC和TG对相变材料的热稳定性、重复稳定性和膨胀性进行的分析表明,该材料是一种膨胀率低、稳定性很好的相变材料。

相变材料在液态时易于流动散失,在服装上使用必须采用微胶囊相变材料MPCMs(Microencapsulation of Phase Change Materials)。微胶囊相变材料是将微胶囊技术应用于相变材料而形成的新型复合相变材料,微胶囊化是将直径1~1000um的固体或液体粒子埋入硬壳的物理和化学过程。得到微胶囊的物理工艺包括喷射烘干、离心流动床或涂层。化学工艺是通过界面缩聚以聚酰***或聚亚氮酯为壳,反应原理是通过使用水溶聚合物和高速搅拌机将一种油类乳化在水中形成所需类型的稳定乳状液。加入可溶的三聚******甲醛树脂。由于加入酸的作用引起缩聚反应,交联树脂开始形成,并且沉积在油滴和水相界面之间。在壳壁硬化期间,就形成了微胶囊结构和聚合物油滴胶囊的水中分散。
纺织品使用的MPCMs直径为人发直径的1/2,有时只有人发直径的1/20,这些小容器非常象装满了相变材料的乒乓球,壳体不仅小,而且经久耐用,可以填充却不会溶解。这种MPCMs可放人纤维和泡沫中,或作为涂层材料用于多种织物和泡沫材料,并且能经受进一步的纺织机械加工、热和化学处理等。
3 相变材料的作用机理
当环境温度或人体皮肤温度达到服装内MPCMs溶点,其吸热从固态转化为液态。在服装层内产生短暂的致冷效果(见图1)。热能可能来自人体也可能来自外界温暖环境。一旦PCMs完全溶解,储能结束。如果PCMs服装在低于PCMs冰点温度的寒冷环境中使用,服装温度低于转换温度,液态MPCMs将变回固态,释放出能量提供短暂的加热效果(见图2)。这种热转换在服装内起缓冲作用,减小皮肤温度的变化,延长穿着者的热舒适感。
如果在服装上使用,希望其相变温度在33℃。但是所使用的MPCMs相变温度不一定就是33℃,而是比这一温度高几度和低几度的MPCMs混合后应用于服装。只有这个温度下,一半的固态相变材料吸热溶解成液态,不至使皮肤温度过高,而另一半的液态放热凝固成固态,释放热量,不至使皮肤温度下降过低。
4 微胶囊相变材料服装
由于相转变过程比较短暂,在恒温环境中PCMs没有任何作用。因此,穿着者必须活动以引起PCMs面料的温度变化或者经常在有温差的两个环境中工作,以保证PCMs发生相变吸热或放热。此外,含PCMs的