Intelligente temperaturregulierende Fasern und Textilien sind Hightech-Produkte, die sich in den 90er Jahren rasant entwickelt haben und voller Vitalität sind. Es kann nicht nur den Tragekomfort von Kleidung verbessern, sondern hat auch einen hohen Mehrwert und kann einen hohen Nutzen erzielen. Mit der kontinuierlichen Einführung neuer und hochwertiger Technologien in diesem Bereich sind die Anforderungen der Menschen an hochwertige Kleidung und Funktionalität gestiegen. Die Entwicklung eines neuen Typs von intelligenten temperaturregulierenden Fasergeweben mit Phasenwechsel hat eine gute Entwicklungsperspektive und breite Anwendungsperspektiven.
Die Entwicklungsgeschichte der intelligenten temperaturregulierenden Faser mit Phasenwechsel
Phasenwechselfaser ist eine Art Wärmespeicher- und Temperaturregulations-Funktionsfaser, die entwickelt wurde, indem sie die Eigenschaften der Freisetzung oder Absorption latenter Wärme nutzt und die Temperatur während des Phasenwechsels des Materials konstant hält.
Die Erforschung der intelligenten temperaturregulierenden Faser mit Phasenwechsel begann in den 1980er Jahren in den Vereinigten Staaten. Die erste intelligente temperaturregulierende Faser auf der Basis von Outlast-Acrylfasern, die im Forschungsprojekt der National Aeronautics and Space Administration entwickelt wurde, wurde durch Zugabe von Mikrokapseln, die mit einem Phasenwechselmaterial Paraffin-Kohlenwasserstoff beschichtet sind, zu der Acrylfaser-Spinnlösung erhalten. Die vom Monatsplan entwickelten Jacken zur Astronautenbekleidung und zum Schutz von Präzisionsinstrumenten bei Weltraumexperimenten wurden 1988 erfolgreich entwickelt und 1994 erstmals kommerziell genutzt. 1997 gründete die US-Raumfahrtbehörde Gateway, ein auf die Entwicklung und Erforschung intelligenter temperaturregulierender Fasern. Als Outlast wurde die acrylfaserbasierte Faser Outlast registriert, die für allgemeine Bekleidung entwickelt und in den USA und Europa verkauft wurde. Seitdem arbeiten die deutsche Kelheim Fibre Company und die Outlast Company zusammen, um die Viskosefaser Outlast zu entwickeln. Tatsächlich wird es durch Zugabe von Mikrokapseln aus Phasenwechselmaterial zu der Spinnlösung von Viskosefasern erhalten. Seine Wärmedämmwirkung erreicht 42,5% und ist patentiert. .
Gegenwärtig werden Phasenwechselmaterialien für die Entwicklung und Anwendung von intelligenten Temperatursteuerfasern mit Phasenwechsel verwendet. Die USA und die Schweiz sind im Ausland reifer. Die von ihnen hergestellten temperaturregulierenden Fasern sind hauptsächlich Mikrokapsel-Spinntechnologie; Auch Europa und Japan haben Forschung in diesem Bereich. . Deutschland war das erste Unternehmen, das erfolgreich Veredelungsmaterialien für Natriumsulfat-Wärmespeicher-Mikrokapseln entwickelt hat; später entwickelte sie mit Lösungsmitteln und Inertgasen gefüllte Gewebe in Hohlfasern. Japan's repräsentative Technologie ist die Mikrokapsel-Slurry-Beschichtung, die von Daiwa Chemical Industry entwickelt wurde.
Art der Temperaturregulierung des Fasergewebes
(1) Unidirektionale temperaturregulierende Faser
Dieser Fasertyp hat eine einzige Temperaturregulierungsfunktion, die die Temperatur erhöhen oder senken kann. Eine davon ist die Heizfaser EKS und Softwarm, hergestellt von Japan Toyobo Co., Ltd.; die andere ist Flachsfaser und Jadefaser mit Kühlfunktion. Da sie nur eine temperaturregulierende Wirkung in eine Richtung haben, weisen diese Fasern offensichtliche Mängel auf. Wenn die Richtung der Änderung der Umgebungstemperatur der Richtung der Temperatureinstellung entgegengesetzt ist, wird es daher nicht gut funktionieren und sogar nachteilige Folgen haben.
(2) Zwei-Wege-Temperaturregulierende Faser
Phasenänderungsmaterialien (Phasenänderungsmaterialien, als PCMs bezeichnet), die die kalte und heiße Umgebung unabhängig voneinander einstellen können, verfügen über eine Zwei-Wege-Temperaturanpassungs- und Anpassungsfunktion. Durch die Herstellung und Verarbeitung werden PCMs in einer bestimmten technologischen Form der Fasermatrix hinzugefügt. Wenn der Phasenwechsel Bei Temperatur erreicht ist, kann er durch diskontinuierliche Erwärmung aktiv übermäßige Temperaturschwankungen in der Kleidung verhindern. Die Energie des Phasenwechselprozesses wird im Phasenwechselmaterial gespeichert, um seine Wärmekapazität zu erhöhen; Wenn die Umgebungstemperatur sinkt, wird es intelligent Es gibt seine gespeicherte Energie frei und kann wiederholt in einer Temperaturschwingungsumgebung verwendet werden, daher wird es"Smart Thermostat Fiber Transformation (STFT)" genannt.
STFT's Phasenänderungsmechanismus und Temperaturregelungsprinzip
STFT wird auch als Klimafaser bezeichnet. Der Phasenänderungsmechanismus der STFT bezieht sich auf die Tatsache, dass unter bestimmten Bedingungen, wenn die Temperatur bestimmter Stoffe im Wesentlichen unverändert ist und sich der Phasenzustand ändert, die latente Wärme der Phasenänderung viel größer ist als die fühlbare Wärme der Phasenänderung. Die intelligente temperaturregulierende Faser mit Phasenwechsel ist eine neue Art von Faser, die eine Materialphasenänderung nutzt, um latente Wärme freizugeben oder zu absorbieren, um die Temperatur konstant zu halten. Die Phasenänderung manifestiert sich hauptsächlich als Übergang zwischen Flüssigkeit und Festkörper oder als Änderung der Kristall-Kristall-, Kristall-Flüssigkeits- und Molekülaggregationsstrukturphase im Festkörper, und die thermische Energie hält die Temperatur.
(1) Phasenübergangsmechanismus von STFT
Der Unterschied zwischen einem intelligenten temperaturregulierenden Fasergewebe mit Phasenwechsel und einem herkömmlichen Fasergewebe liegt in dem unterschiedlichen Wärmeerhaltungsmechanismus. Herkömmliche Wärmeisolierungskleidung verwendet hauptsächlich Wärmeisolierungsmethoden, um eine übermäßige Verringerung der Hauttemperatur zu vermeiden, während der Wärmeisolierungsmechanismus der Phasenwechselfasern unempfindlich gegenüber Verformung, Feuchtigkeit und Luftdruck ist und sich nicht zu stickig oder schwer anfühlt. Es kann dem menschlichen Körper ein angenehmes Mikroklima bieten. Umfeld. Der Grund dafür ist, dass PCMs eine Wärmeregulierung und keine Wärmedämmung bieten. Die Realisierung dieses Phasenänderungsmechanismus und Temperaturanpassungsmechanismus besteht darin, dass sich in einer thermischen Umgebung, wenn die Schmelztemperatur des Phasenänderungsmediums erreicht wird, der Kristall des Phasenänderungsmediums ändert und seine Molekülkette die intermolekulare Kraft überwindet, die molekulare Abstand nimmt zu, und der Kristall Schmelzen, die Faser absorbiert Wärme; wenn die Faser aus einer heißen Umgebung in eine kalte Umgebung eintritt, wenn die Temperatur niedriger als der Kristallisationspunkt des Phasenwechselmediums ist, werden die Molekülketten in dem Phasenwechselmedium regelmäßig angeordnet, um Kristalle zu bilden, und die Faser gibt Wärme ab; Phasenwechsel-Energiespeicher Auf diese Weise erfüllt die Faser den Zweck der Temperaturregulierung durch Aufnahme und Abgabe von Wärme.
(2) Das Prinzip der Temperaturregelung von STFT
STFT kommt vom Phasenwechselmechanismus des PCM im Fasergewebe. Der Prozess der Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe ist automatisch, reversibel und unbegrenzt. Die Vorteile seines Temperaturregelungsprinzips sind: Temperaturregelung zum Ausgleich von Temperatur und Wärmebedarf für ganztägigen Komfort; gute Temperaturbeständigkeit, sorgen für einen kühlenden Effekt; nehmen überschüssige Körperwärme auf und geben sie ab, wenn die Körperoberflächentemperatur sinkt, um zu verhindern, dass die Körperoberfläche zu kalt ist.
Daher erhalten Fasertextilien, die PCMs enthalten, die Konstanz der Körpertemperatur zwischen dem menschlichen Körper und der äußeren Umgebung, unabhängig davon, ob die äußere Umgebungstemperatur ansteigt oder abnimmt, wodurch eine"Mikroklimaumgebung" für den menschlichen Körper, der weder kalt noch heiß ist.
(3) Der Messstandard der STFT-Temperaturregelungsfähigkeit
Die Temperaturanpassungsfunktion der intelligenten Temperaturregelungsfaser wird durch den&Quot;Adaptive Comfort Rating&Quot; (Adaptive Comfort Rating) Wert, der verwendet wird, um die Fähigkeit des Produkts zu messen' Energie zu absorbieren, zu speichern und gegebenenfalls freizugeben. Je höher der ACR-Wert des Produkts, desto komfortabler ist es. Der ACR-Wert traditioneller Fasern liegt nahe Null und es ist schwierig für sie, Wärme zu speichern.
Auswahl der Temperatureinstellung und Typleistung von PCM-Materialien
Phasenübergang bezeichnet das Phänomen, dass sich der Phasenzustand bestimmter Stoffe bei einer bestimmten Temperatur ändert. Die während des Phasenwechsels absorbierte oder freigesetzte Energie wird als Phasenwechselwärme (auch als latente Wärme des Phasenwechsels bezeichnet) bezeichnet und die Wärmemenge, die während Materialtemperaturänderungen absorbiert und freigesetzt wird, wird als fühlbare Wärme bezeichnet. Verglichen mit sensibler Wärme ist die Phasenwechselwärme viel größer. Daher ist die Auswahl von Phasenwechselmaterialien der erste Schritt zur Herstellung intelligenter temperaturregulierender Fasern und Textilien.
(1) Auswahl von Materialien für die Phasenwechseltemperaturregelung
Unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen der Faseranwendung und der Gewebeverarbeitung gibt es nicht viele Materialien zur Phasenwechseltemperierung, die für Gewebefasern verwendet werden können. Zunächst sollte die Kristallisationstemperatur (Haltetemperatur) des Phasenwechselmaterials für den Anwendungsbereich geeignet und geeignet sein. Nimmt man die Phasenwechsel-Energiespeicherfaser als Beispiel, haben die meisten der bisher berichteten Phasenwechsel-Energiespeicherfasern den Nachteil einer zu hohen Kristallisationstemperatur, und sie können nicht gut auf dem Gebiet der Bekleidungsfasern angewendet werden; zweitens die Verarbeitbarkeit der Phasenwechsel-Energiespeicherfaser. Phasenwechselmaterialien sind meist Oligomere mit relativ niedrigem Molekulargewicht, und ihre chemische Stabilität, thermische Stabilität, Verspinnbarkeit nach der Kombination mit der Fasermatrix usw. müssen berücksichtigt werden.
Prinzipien zum Screenen von für Textilien geeigneten Phasenwechselfasermaterialien: (1) Hohe Energiespeicherdichte. Das Phasenwechselmaterial sollte ein höheres Einheitsvolumen, eine höhere latente Phasenwechselwärme pro Masseneinheit und eine größere spezifische Wärmekapazität aufweisen. (2) Phasenübergangstemperatur. Der Schmelzpunkt sollte der Verwendung von Textilien und Kleidung entsprechen, und der Phasenwechseltemperaturbereich, der mit der Gebrauchstemperatur übereinstimmt, sollte gemäß unterschiedlichen Klimas und Verwendungen ausgewählt werden. (3) Sicher und zuverlässig. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien sind stabil, nicht korrosiv, ungefährlich, nicht toxisch und nicht brennbar. (4) Wärmeleitfähigkeit. Das Phasenwechselmaterial sollte eine große geeignete Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Empfindlichkeit aufweisen und in der Lage sein, Wärme schnell aufzunehmen und abzugeben. (5) Phasenübergangsprozess. Der Phasenänderungsprozess sollte vollständig reversibel und nur temperaturabhängig sein. (6) Volumenänderungen. Wenn sich die Phase ändert, ist die Volumenänderung klein. (7) Phasenänderungsdruck. Der entsprechende Dampfdruck bei der Arbeitstemperatur des Phasenwechselmaterials sollte relativ niedrig sein. (8) Phasenübergangsstabilität. Nach wiederholten Phasenwechseln lässt die Wärmespeicherleistung wenig nach. (9) Phasenübergangsdichte. Die Dichte der beiden Phasen des Phasenwechselmaterials sollte möglichst groß sein, um die Kosten des Behälters zu reduzieren. (10) Phasenwechsel-Unterkühlung. Geringe Unterkühlung und hohe Kristallwachstumsrate. (11) Wirtschaftlich machbar.
Im eigentlichen Entwicklungsprozess ist es sehr schwierig, Phasenwechselmaterialien zu finden, die diese idealen Bedingungen erfüllen. Daher betrachten die Menschen oft zuerst die geeignete Phasenübergangstemperatur und große Phasenübergangswärme und berücksichtigen dann verschiedene umfassende Faktoren, die Forschung und Anwendungen beeinflussen.
(2) Arten von Phasenwechsel-Temperaturkontrollmaterialien
Bisher wurden mehr als 500 phasenwechselnde Thermoregulationsmaterialien (PCMs) eines einzigen Typs entwickelt und angewendet, sowie zusammengesetzte und qualitative phasenwechselnde Thermoregulationsmaterialien mit einzigartigen Phasenwechseleigenschaften, die durch die Verbundtechnologie entwickelt und angewendet wurden. Die derzeit entwickelten und angewendeten Arten von temperaturregulierenden Materialien mit Phasenwechsel sind: ①Verschiedene Klassifizierungen nach der Wärmespeichertemperatur der Materialien: Entsprechend dem Phasenwechseltemperaturbereich können temperaturregulierende Materialien mit Phasenwechsel in drei große unterteilt werden Phasenwechselmaterialien: Hochtemperatur, Mitteltemperatur und Niedertemperatur. Hochtemperatur-Phasenwechselmaterialien beziehen sich hauptsächlich auf einige geschmolzene Salze und Metalllegierungsmaterialien; Phasenwechselmaterialien mit mittlerer Temperatur beziehen sich hauptsächlich auf einige kristallhydratisierte Salze, organische Stoffe und Polymermaterialien; Niedertemperatur-Phasenwechselmaterialien beziehen sich hauptsächlich auf Materialien wie Eis und Hydrogel. ②Unterschiedliche Klassifizierungen nach der Form der Materialphasenänderung: Phasenwechsel-Temperaturkontrollmaterialien können in vier Kategorien unterteilt werden: Fest-Fest-Phasenwechsel, Fest-Flüssig-Phasenwechsel, Fest-Gas-Phasenwechsel und Flüssig-Gas-Phasenwechsel. Unter diesen erfährt das Fest-Fest-Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial keinen Phasenwechsel, aber die Kristallform des Phasenwechselmaterials ändert sich. Natürlich wird während des Prozesses der Kristallformänderung auch Wärme aufgenommen und abgegeben. ③Klassifiziert nach der chemischen Zusammensetzung des Materials: anorganisches Phasenwechselmaterial (I-PCM), organisches Phasenwechselmaterial (O-PCM), zusammengesetztes Phasenwechselmaterial (C-PCM) und qualitatives Phasenwechselmaterial (Q-PCM).
Das Folgende ist eine Beschreibung von Phasenwechselmaterialien nach Klassifizierung der chemischen Zusammensetzung:
A. Anorganische temperaturregulierende Materialien für die Phasenänderung: Anorganische Materialien für die Phasenänderung umfassen hauptsächlich anorganische Substanzen wie kristallines hydratisiertes Salz, geschmolzenes Salz und Metallegierungen. Die typischsten davon sind kristalline hydratisierte Salze, die eine große Schmelzwärme und einen festen Schmelzpunkt aufweisen. Seine Essenz bezieht sich auf die Temperatur, bei der das Kristallwasser entfernt wird, und das entfernte Kristallwasser kann das Salz auflösen und Wärme aufnehmen. Wenn die Temperatur gesenkt wird, tritt der umgekehrte Prozess auf, absorbiert Kristallwasser und wird exotherm. Der Phasenübergangsmechanismus wird wie folgt ausgedrückt: AB·mH2O→AB+mH2O+Q, AB·mH2O→AB·pH2O+(mp)H2O+Q, wobei m und p die Zahl des Kristallwassers sind und Q die Schmelzwärme ist.
Die am häufigsten verwendeten Substanzen dieser Art sind die Hydrate von Alkali- und Erdalkalimetallhalogeniden, Sulfaten, Phosphaten, Nitraten, Acetaten und Carbonaten, und die repräsentativen sind: Na2SO4·10H2O , Mg(NO3)2·6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2·6H2O, CaBr2·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O, NH4Al(SO4)2·12H2O, Na2S2O3·5H2O usw.
B. Organische Phasenwechsel-Temperaturkontrollmaterialien
Solche Phasenwechselmaterialien werden üblicherweise verwendet: Paraffin, Carbonsäuren, höhere aliphatische Kohlenwasserstoffe, Fettsäuren oder deren Ester oder Salze, Alkohole, aromatische Kohlenwasserstoffe, aromatische Ketone, Amide, Freone und Polyhydroxycarbonsäuren usw.; Außerdem umfassen Makromoleküle: Polyolefine, Polypolyole, Polyenole, Polyensäuren, Polyamide und andere Makromoleküle.
C. Verbundmaterialien zur Temperaturkontrolle mit Phasenwechsel
Zusammengesetzte Phasenwechsel-Temperatursteuermaterialien beziehen sich hauptsächlich auf allgemeine gemischte Systeme oder eutektische Systeme aus binären oder mehrfachen Verbindungen mit ähnlichen Eigenschaften, fest-flüssig-Phasenwechselmaterialien mit stabiler Form und anorganische und organische zusammengesetzte Phasenwechselmaterialien. Zusammengesetzte Phasenwechselmaterialien haben im Allgemeinen zwei Formen: eine ist eine Mischung aus zwei Phasenwechselmaterialien; das andere ist ein geformtes Phasenwechselmaterial. Obwohl das Mischen der beiden Phasenwechselmaterialien einfach herzustellen ist, weist es die Nachteile allgemeiner Phasenwechselmaterialien auf, wie die Notwendigkeit einer Einkapselung, die anfällig für Leckagen und unsicher in der Verwendung ist.
D. Qualitative Phasenwechsel-Temperaturkontrollmaterialien
Diese Art von Phasenwechsel-Temperatursteuermaterial ist ein gemischtes Temperatursteuermaterial, das aus Phasenwechselmaterial und Polymer besteht. Das Phasenwechselmaterial ist im Allgemeinen eine organische Paraffinsäure usw. Das Polymermaterial ist im Allgemeinen HDPE (Polyethylen hoher Dichte, das einen höheren Schmelzpunkt hat, als Träger), letzteres wird als Träger und Versiegelungsmaterial verwendet, um die Phase zu enthalten Material in jedem seiner Mikroräume verändern. Daher kann, wenn das Phasenänderungsmaterial einer Phasenänderung unterliegt, das qualitative Phasenänderungs-Temperatursteuermaterial eine bestimmte Form beibehalten, und kein Phasenänderungsmaterial wird auslaufen.
Im Vergleich zu gewöhnlichen Phasenwechselmaterialien erfordert die qualitative Phasenwechseltemperaturregelung keine Verpackungsausrüstung, was die Verpackungskosten und Verpackungsschwierigkeiten reduziert, das Risiko von Materialaustritt vermeidet, die Sicherheit der Materialverwendung erhöht und den Wärmeübergangswiderstand des Behälters verringert. Dies ist förderlich für den Wärmeaustausch zwischen dem Phasenwechselmaterial und dem Wärmeübertragungsfluid.
(3) Materialien zur Temperaturregulierung der Phasenänderung, die für Gewebefasern verwendet werden
Da der Hauptteil dieses Artikels erklärt, dass PCMs Fasergewebe hauptsächlich die Phasenwechseltemperatur und -energie löst, die der menschliche Körper angenehm zu tragen ist, sind die anwendbaren Phasenwechselmaterialien (PCMs) sehr begrenzt. Derzeit werden die wichtigsten international entwickelten PCMs nach Art, Zusammensetzung und Leistung wie folgt klassifiziert:
①Anorganisches Phasenwechselmaterial (I-PCM)
Zusammensetzung: wie hydratisiertes Salz Na2HPO4·12H2O, CaCl2·6H2O, Na2SO4·10H2O usw. Seine Leistung: Temperatur unter 35℃; Energie 120J/g～300J/g; zyklische Markierung {{14}}; Antwortmarke ++; Eigenschaften sind niedriger Preis, hohe Wärmespeicherdichte, große Wärmeleitfähigkeit; das problem ist energiekonzentration und unterkühlung Große, leicht abtrennbare, schlechte wärmespeicherleistung.
②Organische Phasenwechselmaterialien (O-PCM)
A. Zusammensetzung: Paraffinkohlenwasserstoff, organisches Fett CnH2n+2, CnH2nO2 usw. Seine Leistung: Temperatur 18℃～40℃; Energie 200J/g～300J/g; Zyklizitätskennzeichen +++; Reaktionsfähigkeitszeichen ++; das charakteristische ist, dass die Schmelzwärme groß ist, aber sie ist kalt und fällt nicht aus; das problem ist, dass die wärmeleitfähigkeit klein ist, die dichte ist klein.
B. Zusammensetzung: Polyole: PG, NPG, PEG usw. Seine Leistung: Temperatur 24℃～40℃; Energie 100J/g～300J/g; Zyklusmarkierung ++++; Antwortmarke ++; Eigenschaften sind geringe Verformung und Unterkühlung, hohe thermische Effizienz, lange Lebensdauer; das Problem ist Hochtemperatur ist Plastikkristall, leicht zum flüchtigen Verlust.
③Verbundmaterial mit Phasenwechsel (C-PCM)
Zusammensetzung: anorganischer, organischer Verbundwerkstoff, Energiespeicherverbundwerkstoff (CESM) usw. Seine Leistung: Temperatur -140℃～670℃; Energie 100J/g～500J/g; zyklische Markierung ++++; ansprechende Markierung ++++; Eigenschaften von hoher Energiespeicherdichte, schnelle Wärmeübertragung, stabile, einfache Verarbeitung.
(4) Testmethoden für die Temperaturregelungsstabilität von Phasenwechselmaterialien
Die Temperaturregulationsstabilität ist die primäre Voraussetzung für den Einsatz von Phasenwechselmaterialien in Fasertextilien, insbesondere die Temperaturregulationsstabilität von Komposit-Phasenwechselmaterialien (C-PCM) und qualitativen Phasenwechselmaterialien (Q-PCM). Eine Phasenänderung wird unten eingeführt. Das Prüfverfahren für die Stabilität von temperaturregulierenden Verbundwerkstoffen umfasst folgende Verfahren:
①Proben vorbereiten: Verteilen Sie das Standardgewicht des temperaturregulierenden Phasenwechsel-Verbundmaterials gleichmäßig in der Testfläche des temperaturregulierenden Phasenwechsel-Verbundmaterials in der Mitte des Standardfilterpapiers, um die zu prüfende Probe vorzubereiten;
②Backen Sie die Probe: Bringen Sie die zu testende Probe in den Ofen und backen Sie sie 5-12 Stunden lang bei einer konstanten Temperatur von 40℃～50, dann nehmen Sie die Testprobe heraus;
③Beobachten der Probe: Beobachten Sie die Exsudation der phasenwechseltemperaturregulierenden Arbeitsflüssigkeitskomponente außerhalb des Prüfbereichs des phasenwechseltemperaturregulierenden Verbundmaterials auf dem Filterpapier und messen Sie den maximalen und minimalen Durchmesser des außen gebildeten Exsudationskreises der Testbereich. Der durchschnittliche Durchmesser des Exsudationskreises wird aus dem maximalen Durchmesser und dem minimalen Durchmesser des Exsudationskreises berechnet.