1、 姓名：刘善炜学号：100118058班级：10 材料特种服装材料之相变材料特种服装材料相变材料摘要 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 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
2、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
3、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 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。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,
4、 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。常用的就是 固固相变和固 液相变材料。2.1 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。
5、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。2.2 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。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
6、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
7、。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 的服装层必须具有热量传导作用,能让 PCMs 感受到温度的变化。 4.1 改变环境温度 有些人需要不停地从冷库或运输车到室内或外界温暖环境工作。PCMs防护服可以为这些在温度变化环境中工作的人提供舒适。在这些使用场合中,PCMs 的相变温度应该设定为温暖环境时液态,寒冷环境时固态。 PCMs 面料的研发与生产人员声称该面料具有动态保暧性,在寒冷环境中比常规保暧材料的保暧时间更长,并且使用 PCMs 面料作户外服装可减小重量和体积。毫无疑问,相变材料从
8、液态到固态要释放能量,然而只有 PCMs 在服装生成足够的热量以弥补人体向环境散失的热量时,其才能有效改善服装的热舒适性。即使所有的服装均使用 PCMs,当穿着者从室内到室外时,也并不是所有的 PCMs发生相变。热量从温暖的人体流向冷环境,从皮肤表面经服装层到外界环境存在着温度梯度。即使人进入更冷环境,但内衣层与人体皮温接近,PCMs 仍处于液态。而服装外层的 PCMs 已遇冷固化放出热量。PCMs 固化后,放热就停止了。因此,有一定厚度的保暧系统在持续冷暴露时能有效维持热舒适性。 当人们穿着防火服在高温下短时间作业时,PCMs 可以提供短暂的致冷效果维持人体舒适和安全。此时并不需要 PCMs
9、 凝固放热,石蜡基 PCMs 的加入会增加面料的可燃性,所以只能在防火面料里层使用。 有些工作需要不时的接触冷或热的物体,因此 PCMs 手套的相变温度设定在环境温度与冷或热物体的温度之间。如果工人反复的短时间接触物体,PCMs的相变就可以发生,温度缓冲作用得以继续,手套里层必需使用薄面料。 4.2 改变皮肤温度 某些工作和运动要求人们时动时静。人体活动越剧烈,产热越多。只有活动程度和代谢产热发生变化时 PCMs 才能改善人体的舒适度。PCMs 服装能吸收人体由于运动产生的大量体热,提供暂时的凉爽效果。当人体处于安静状态时PCMs 重新固化放出热量(假设空气温度低于皮肤温度),这就称为 PCM
10、s 的热调节效应。在这种情况下使用的 PCMs 的转变温度必须设定在人体代谢产热变化时最高与最低皮温之间。在运动时人体的皮肤温度变化只有几度,但是却会产生大量的体热。例如,在下坡滑雪运动中的产热量是静坐时的 5 倍,但皮肤温度却没有成比例增加。首先皮肤表面的血管舒张,皮肤温度略微升高,热量慢慢散失到周围环境中。然而剧烈活动后这种生理散热无法去除过多体热,人体就开始出汗,汗水蒸发会带走热量,提供自然的凉爽感。因此 PCMs 只有在靠近皮肤层发生相变才能有凉爽效果,如果在外层就不会有任何作用。人体不同部位的皮肤温度不同。头部平均温度高于脚部。此外, 皮肤温度的个体差异范围, 通常高于同一人运动后皮
11、肤温度的变化范围。对防护服的设计者来说, 通过皮肤温度的微小变化使 PCM s 具有热调节效果是一项艰难的工作。5 研究现状自 1985 年以来, NASA、USAF 等机构先后资助了 10 余项该方面的研究工作, 近年来, 中国法国、德国和韩国等国家也先后资助了这方面的研究工作。1987 年, USAF 资助的一个项目,旨在开发用于极端低温环境中工作的飞行员和地勤人员手套, 该项目促成了 M icroPCM s 用于纤维, 该技术获得了美国专利。1995 年 NAVY 进行了一项研究, 将含有 M icroPCM s 的纤维用于寒冷环境下使用的袜子, 这种袜子独特的热性能使其能够免于象普通袜
12、子那样受压缩和潮湿的影响。Out last、Frisby 和 3M 等纺织公司参与了产品的开发, 已经开发出的腈纶纤维制品中含有 M icroPCM s, 纤维已经用于滑雪服、睡毯、内衣、袜子、手套等的开发。这种纤维织物表现出了静态和动态两重保温性能, 在降温过程中其总体保温性能高于普通纺织品, 而在升温过程中, 其总体保温性能低于普通纺织品。ReeBook、Po lo 等 4O 余家知名体育运动用品公司在开发新产品过程中使用了这类纺织品。NSF 资助开展的 M icroPCM s 用于丙纶和涤纶纤维技术也在进行中。采用 M icroPCM s 研制出的蓄热调温织物目前己用于飞行员手套。还对这
13、种纺织品用于高马赫数飞机飞行员服装进行了研究。美国空军消防研究所实验了将该类纺织品用于消防服隔热衬, 在 100 s 时间内, 该内衬的温度比普通羊毛内衬低了 294K。1995 年美国海军研究机构的工作人员研究了由蓄热调温纤维和 3M 公司 Th insu late 纤维组成的干式潜水服的保温性能, 取得了令人满意的效果, 这种潜水服的外层采用防水透湿织物, 可以使潜水员在 3h 内保持温暖, 而普通潜水服只能在 1h 内保持温暖。潜水员使用的头盔、手套和袜子也同时得到了开发。6 前景MPCM s 的出现, 引入了热调节功能纺织品的概念。含 M PCM s 的服装有效地改善了人体与服装间的微
14、气候。但受当前技术发展的限制, 其热调节功能不是无限的。只有当穿着者不停往返于存在温差的环境中时, M PCMs 服装的温度不断地变化, 服装中的 MPCM s 才能最大地发挥作用。MPCM s 的研究在一些方面已经获得了很好的应用, 无论从提高效率角度考虑, 还是从环保角度考虑, M PCM s 的未来发展前景都是光明的, 可以预见, 随着 MPCM s 制造技术的进一步成熟, 它将对我们的生活发挥越来越重要的作用。参考文献: 1张富丽; 相变材料及其在纺织品上的应用 J . 上海纺织科技,2003, ( 2) : 8- 9. 2蔡利海, 张兴祥; 相变材料微胶囊的研究与应用 J . 材料导报,2002, ( 12) : 61. 3从纺织到航天相变材料应用前景广阔 J . 中国高校与产业化,2006, ( 4) : 35. 4中国个体防护装备. 2002, ( 6 ) : 18. 5 姜勇, 丁恩勇, 黎国康 相变储能材料的研究进展 J . 广州化学, 1999 ( 3) 6 张兴祥, 朱民儒. 新型保温调温功能纤维和纺织品 J 产业用纺织品, 1996 ( 5) 7 徐伟亮, 常低温固 液相变材料的研制和应用 现代化工M . 1998 ( 4) 8 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, 2001
