روند توسعه فیبر تنظیم کننده دما هوشمند تغییر فاز بین المللی

الیاف و منسوجات تنظیم کننده دما هوشمند از محصولات با تکنولوژی پیشرفته هستند که به سرعت در دهه 1990 توسعه یافته و سرشار از نشاط هستند. این ماده نه تنها می تواند راحتی لباس را بهبود بخشد ، بلکه ارزش افزوده بالایی نیز دارد و می تواند به مزایای بالایی دست یابد. با ورود مداوم فن آوری پیشرفته و جدید به این زمینه ، نیازهای افراد&# 39 برای لباسهای عالی و عملکرد بالا رفته است. توسعه نوع جدیدی از پارچه الیاف هوشمند تنظیم کننده دما با تغییر فاز ، یک چشم انداز توسعه خوب و چشم انداز کاربرد گسترده ای دارد.

تاریخچه توسعه فاز فیبر تنظیم کننده دما هوشمند

الیاف تغییر فاز نوعی فیبر عملکردی ذخیره گرما و تنظیم دما است که با استفاده از خصوصیات آزاد سازی یا جذب گرمای نهان و ثابت نگه داشتن دما در طول تغییر فاز مواد ایجاد می شود.

تحقیقات مربوط به تغییر فاز فیبر هوشمند تنظیم کننده دما از دهه 1980 در ایالات متحده آغاز شد. اولین الیاف تنظیم کننده درجه حرارت هوشمند مبتنی بر فیبر اکریلیک Outlast که توسط پروژه تحقیقاتی ملی هوانوردی و فضا تهیه شده است ، با افزودن میکروکپسول های پوشیده شده با ماده پارافین هیدروکربن تغییر فاز به محلول نخ ریسی فیبر اکریلیک بدست آمد. کتهای ساخته شده توسط برنامه ماهانه برای لباس فضانوردان و محافظت از ابزار دقیق در آزمایشهای فضایی در سال 1988 با موفقیت تولید و برای اولین بار در سال 1994 برای استفاده تجاری استفاده شد. در سال 1997 ، آژانس فضایی ایالات متحده Gateway را تاسیس کرد ، یک شرکت متخصص در توسعه و تحقیق در مورد الیاف تنظیم کننده دما الیاف مبتنی بر الیاف اکریلیک Outlast به عنوان outlast ثبت شد که برای لباس های عمومی تولید شده و در بازارهای ایالات متحده و اروپا فروخته شد. از آن زمان ، شرکت فیبر کلهایم آلمان و شرکت اولاست برای تولید فیبر ویسکوز Outlast همکاری کردند. در حقیقت ، این ماده با افزودن میکرو کپسول های مواد تغییر فاز به محلول چرخان الیاف ویسکوز بدست می آید. اثر عایق حرارتی آن به 42.5 درصد می رسد و ثبت اختراع شده است. .

در حال حاضر ، از مواد تغییر فاز به عنوان توسعه و استفاده از الیاف کنترل گرمای هوشمند تغییر فاز استفاده می شود. ایالات متحده و سوئیس در کشورهای خارجی بالغ تر هستند. الیاف کنترل دما که تولید می کنند عمدتاً فناوری چرخش میکرو کپسول است. اروپا و ژاپن نیز در این زمینه تحقیقاتی دارند. . آلمان اولین کسی بود که موفق شد مواد تکمیل کننده میکرو کپسول ذخیره سازی گرما سولفات سدیم را تولید کند. بعداً ، پارچه هایی پر از حلال و گازهای بی اثر در الیاف توخالی ایجاد کرد. فناوری نمایندگی ژاپن&# 39 پوشش دوغاب میکرو کپسول است که توسط صنایع شیمیایی دایوا ساخته شده است.

نوع تنظیم درجه حرارت پارچه الیافی

(1) فیبر تنظیم کننده درجه حرارت یک طرفه

این نوع فیبر دارای عملکرد تنظیم دما واحد است که می تواند دما را کم یا زیاد کند. یکی الیاف گرمایش EKS و Softwarm تولید شده توسط Japan Toyobo Co.، Ltd است. دیگری الیاف کتان و الیاف یشم با عملکرد خنک کننده است. از آنجا که فقط اثر تنظیم دما یک طرفه دارند ، این الیاف دارای نقایص آشکاری هستند. بنابراین ، وقتی جهت تغییر درجه حرارت محیط مخالف جهت تنظیم دما باشد ، عملکرد مناسبی نخواهد داشت و حتی عواقب نامطلوبی را به همراه خواهد داشت.

(2) فیبر تنظیم کننده درجه حرارت دو طرفه

مواد تغییر دهنده مرحله از طریق تولید و پردازش ، PCM ها به شکل تکنولوژیکی خاصی به ماتریس فیبر اضافه می شوند. هنگامی که تغییر دما در دما حاصل می شود ، می تواند از طریق گرمایش ناپیوسته از نوسانات بیش از حد دما در لباس جلوگیری کند. انرژی فرآیند تغییر فاز در مواد تغییر فاز ذخیره می شود تا ظرفیت گرمایی آن افزایش یابد. هنگامی که دمای محیط کاهش می یابد ، هوشمندانه انرژی ذخیره شده خود را آزاد می کند و می تواند به طور مکرر در محیط نوسان دما مورد استفاده قرار گیرد ، بنابراین به آن" ؛ تبدیل فیبر ترموستات هوشمند (STFT)" می گویند.

مکانیسم تغییر فاز STFT&# 39 و اصل تنظیم دما

به STFT الیاف تهویه هوا نیز گفته می شود. مکانیسم تغییر فاز STFT به این واقعیت اشاره دارد که در شرایط خاص ، هنگامی که درجه حرارت برخی مواد اساساً تغییر نکرده و حالت فاز تغییر می کند ، گرمای نهان تغییر فاز بسیار بزرگتر از گرمای محسوس تغییر فاز است. تغییر فاز فیبر هوشمند تنظیم کننده دما نوع جدیدی از فیبر است که با استفاده از تغییر فاز مواد ، گرمای نهان را آزاد یا جذب می کند تا دما ثابت بماند. تغییر فاز عمدتا به صورت انتقال بین مایع و جامد یا تغییر فاز ساختار تجمع کریستال-کریستال ، مایع کریستال و مولکولی در جامد آشکار می شود و انرژی گرمایی دما را حفظ می کند.

(1) مکانیزم انتقال فاز STFT

تفاوت بین پارچه الیاف هوشمند تنظیم کننده دما و پارچه الیاف سنتی در تغییر مکانیسم در مکانیزم مختلف حفظ گرما نهفته است. لباس های عایق حرارتی سنتی به طور عمده از روش های عایق حرارتی برای جلوگیری از کاهش بیش از حد دمای پوست استفاده می کنند ، در حالی که مکانیسم عایق حرارتی الیاف تغییر فاز نسبت به تغییر شکل ، رطوبت و فشار هوا حساس نیست و احساس گرفتگی و سنگینی نمی کند. می تواند آب و هوای مناسب بدن انسان را تأمین کند. محیط اطراف. دلیل آن این است که PCM ها تنظیم گرما را ارائه می دهند ، نه عایق حرارتی. تحقق این مکانیسم تغییر فاز و مکانیسم تنظیم دما این است که در یک محیط گرمایی ، هنگامی که به دمای ذوب محیط تغییر فاز می رسد ، کریستال محیط تغییر فاز تغییر می کند و زنجیره مولکولی آن بر نیروی بین مولکولی ، یعنی مولکولی غلبه می کند فاصله افزایش می یابد و ذوب کریستال ، فیبر گرما را جذب می کند. هنگامی که فیبر از یک محیط گرم وارد یک محیط سرد می شود ، هنگامی که دما کمتر از نقطه تبلور محیط تغییر فاز است ، زنجیره های مولکولی در محیط تغییر فاز به طور منظم مرتب می شوند تا بلورها را تشکیل دهند ، و فیبر گرما را آزاد می کند. ذخیره انرژی تغییر فاز به این ترتیب ، فیبر با جذب و آزاد سازی گرما به هدف تنظیم دما می رسد.

(2) اصل تنظیم دما STFT

STFT از سازوکار تغییر فاز PCM در پارچه الیاف حاصل می شود. روند جذب گرما و آزاد سازی گرما به صورت خودکار ، برگشت پذیر و نامحدود است. مزایای اصل تنظیم دما آن عبارتند از: کنترل دما برای متعادل سازی دما و نیازهای گرما مناسب برای راحتی روز. مقاومت در برابر درجه حرارت خوب ، ارائه یک اثر خنک کننده ؛ گرمای اضافی بدن را جذب کرده و با کاهش دمای سطح بدن ، آن را آزاد کنید و از سرد شدن سطح بدن جلوگیری کنید.

بنابراین ، منسوجات الیافی حاوی PCM بدون توجه به افزایش یا کاهش دمای محیط خارجی ، ثبات دمای بدن را بین بدن انسان و محیط خارجی حفظ می کنند ، در نتیجه یک"؛ برای بدن انسان که نه سرد و نه گرم است.

(3) استاندارد اندازه گیری توانایی تنظیم دما STFT

عملکرد تنظیم دما فیبر کنترل کننده دما هوشمند با"؛ Adaptive Comfort Rating"؛ مقدار (Adaptive Comfort Rating) که برای اندازه گیری توانایی&# 39 محصول در جذب ، ذخیره و آزاد سازی انرژی در صورت لزوم استفاده می شود. هرچه سطح ACR محصول بالاتر باشد ، راحتی آن نیز بیشتر است. مقدار ACR الیاف سنتی نزدیک به صفر است و ذخیره گرما برای آنها دشوار است.

انتخاب تنظیم دما و عملکرد نوع مواد PCM

انتقال فاز به پدیده ای اطلاق می شود که حالت فاز برخی مواد در دمای مشخص تغییر کند. انرژی جذب شده یا آزاد شده در هنگام تغییر فاز را گرمای تغییر فاز (گرمای نهان تغییر فاز نیز می نامند) و مقدار گرمای جذب شده و آزاد شده در هنگام تغییرات دمای مواد را گرمای محسوس می نامند. در مقایسه با گرمای محسوس ، گرمای تغییر فاز بسیار بزرگتر است. بنابراین ، انتخاب مواد تغییر فاز اولین قدم برای تهیه الیاف و منسوجات تنظیم کننده درجه حرارت هوشمند است.

(1) انتخاب مواد کنترل دما تغییر فاز

با توجه به نیازهای خاص کاربرد الیاف و پردازش پارچه ، مواد کنترل دمای تغییر فاز زیادی وجود ندارد که بتوان برای الیاف پارچه استفاده کرد. اول از همه ، دمای تبلور (دمای نگهداری) مواد تغییر فاز باید مناسب و مناسب برای زمینه کاربرد باشد. به عنوان نمونه فیبر ذخیره انرژی تغییر فاز ، اکثر الیاف ذخیره انرژی تغییر فاز که تاکنون گزارش شده اند از ضعف دمای تبلور بسیار بالا برخوردار هستند و نمی توان آنها را به خوبی در زمینه الیاف لباس استفاده کرد. ثانیا ، قابلیت پردازش فیبر ذخیره انرژی تغییر فاز ، مواد تغییر فاز اکثراً الیگومر هستند ، با وزن مولکولی نسبتاً کم و پایداری شیمیایی ، ثبات حرارتی ، قابلیت چرخش پس از ترکیب با ماتریس فیبر و غیره باید در نظر گرفته شود.

اصول فاز غربالگری تغییر مواد الیافی مناسب برای منسوجات: (1) تراکم ذخیره انرژی بالا. مواد تغییر فاز باید دارای حجم واحد بیشتر ، گرمای نهان بالاتر تغییر فاز در واحد جرم و ظرفیت گرمایی ویژه بیشتر باشد. (2) دمای انتقال فاز. نقطه ذوب باید مطابق با استفاده از منسوجات و لباس باشد ، و محدوده دمای تغییر فاز مطابق با درجه حرارت استفاده باید با توجه به آب و هوا و موارد مختلف انتخاب شود. (3) ایمن و قابل اعتماد. خصوصیات شیمیایی و فیزیکی مواد تغییر فاز پایدار ، غیر خورنده ، بی ضرر ، غیر سمی و غیر قابل اشتعال است. (4) هدایت حرارتی. مواد تغییر فاز باید دارای رسانایی گرمایی مناسب ، حساسیت بالا و قابلیت جذب و آزاد سازی سریع گرما باشد. (5) فرآیند انتقال فاز. روند تغییر فاز باید کاملاً برگشت پذیر باشد و فقط مربوط به دما باشد. (6) تغییرات حجم. وقتی فاز تغییر می کند ، تغییر حجم کم است. (7) فشار تغییر فاز. فشار بخار مربوطه در دمای کار ماده تغییر فاز باید نسبتاً کم باشد. (8) ثبات انتقال فاز. پس از تغییر فازهای مکرر ، عملکرد ذخیره گرما اندکی تحلیل می رود. (9) تراکم انتقال فاز. چگالی دو مرحله از مواد تغییر فاز باید تا حد ممکن زیاد باشد ، تا هزینه ظرف را کاهش دهد. (10) supercooling تغییر فاز. کم خنک شدن و سرعت رشد بلور زیاد. (11) از نظر اقتصادی امکان پذیر است.

در فرآیند توسعه واقعی ، یافتن مواد تغییر فاز که این شرایط ایده آل را داشته باشند بسیار دشوار است. بنابراین ، مردم معمولاً ابتدا دمای انتقال فاز مناسب و گرمای انتقال فاز بزرگ را در نظر می گیرند و سپس عوامل مختلف مختلفی را که بر تحقیق و کاربردها تأثیر می گذارد در نظر می گیرند.

(2) انواع مواد کنترل دما تغییر فاز

تا کنون ، بیش از 500 ماده تنظیم حرارت تنظیم تک فاز تغییر شکل (PCM) وجود دارد که تولید و اعمال شده اند ، همچنین مواد تنظیم حرارت تنظیم فاز تغییر کامپوزیت و کیفی با ویژگی های تغییر فاز منحصر به فرد ساخته شده و از طریق فناوری ترکیبی اعمال شده اند. انواع مواد تنظیم کننده درجه حرارت تغییر فاز که در حال حاضر تولید و اعمال می شوند عبارتند از: class طبقه بندی های مختلف با توجه به دمای ذخیره گرما از مواد: با توجه به محدوده دمای تغییر فاز ، مواد تنظیم کننده دما برای تغییر فاز را می توان به سه بخش عمده تقسیم کرد مواد تغییر فاز: دمای بالا ، دمای متوسط ​​و دمای پایین. مواد تغییر فاز دمای بالا عمدتا به برخی نمکهای ذوب شده و مواد آلیاژ فلز اشاره دارد. مواد تغییر فاز دمای متوسط ​​عمدتا به برخی نمک های هیدراته شده بلوری ، مواد آلی و مواد پلیمری اشاره دارد. مواد تغییر فاز دمای پایین عمدتا به موادی مانند یخ و هیدروژل اشاره دارد. طبقه بندی های مختلف با توجه به شکل تغییر فاز مواد: مواد کنترل دما تغییر فاز را می توان به چهار دسته تقسیم کرد: تغییر فاز جامد جامد ، تغییر فاز جامد مایع ، تغییر فاز جامد گاز و مواد تغییر فاز مایع گاز. در این میان ، ماده ذخیره کننده حرارت تغییر فاز جامد و جامد دچار تغییر فاز نمی شود ، اما شکل کریستالی ماده تغییر فاز تغییر می کند. البته گرما نیز در طی فرآیند تغییر شکل بلوری جذب و آزاد می شود. ③ طبقه بندی شده با توجه به ترکیب شیمیایی مواد: مواد تغییر فاز غیر آلی (I-PCM) ، مواد تغییر فاز آلی (O-PCM) ، مواد تغییر فاز کامپوزیت (C-PCM) و مواد تغییر فاز کیفی (Q-PCM).

در زیر شرح مواد تغییر فاز با طبقه بندی ترکیب شیمیایی آمده است:

الف) مواد تنظیم کننده دما تغییر فاز غیرآلی: مواد تغییر فاز غیر آلی عمدتا شامل مواد غیر آلی مانند نمک هیدراته بلوری ، نمک مذاب و آلیاژ فلز است. نمونه ترین آنها نمک های هیدراته کریستالی است که دارای گرمای زیادی همجوشی و یک نقطه ذوب ثابت هستند. ذات آن به دمایی که آب کریستال از آن خارج می شود اشاره دارد و آب کریستال خارج شده می تواند نمک را حل کرده و گرما را جذب کند. هنگامی که دما کاهش می یابد ، روند معکوس رخ می دهد ، جذب آب کریستال و گرمازا می شود. مکانیسم انتقال فاز به شرح زیر بیان می شود: AB · mH2O → AB + mH2O + Q ، AB · mH2O → AB · pH2O + (میلی متر) H2O + Q ، که در آن m و p تعداد آب کریستال است ، و Q گرمای همجوشی است.

متداول ترین مواد مورد استفاده در این نوع ، هیدراتهای هالیدهای فلز قلیایی و فلزات قلیایی ، سولفات ها ، فسفات ها ، نیترات ها ، استات ها و کربنات ها هستند و مواد نمایندگی آن عبارتند از: Na2SO4 · 10H2O ، Mg (NO3) 2 · 6H2O ، MgCl2+ 6H2O ، CaCl2 · 6H2O ، CaBr2 · 6H2O ، Zn (NO3) 2 · 6H2O ، NH4Al (SO4) 2 · 12H2O ، Na2S2O3 · 5H2O و غیره

ب - مواد کنترل دما تغییر فاز آلی

از این مواد تغییر فاز معمولاً استفاده می شود: پارافین ، اسیدهای کربوکسیلیک ، هیدروکربنهای آلیفاتیک بالاتر ، اسیدهای چرب یا استرها یا نمکهای آنها ، الکلها ، هیدروکربنهای معطر ، کتونهای معطر ، آمیدها ، فریونها و اسیدهای کربنیک پلی هیدروکسی و غیره. علاوه بر این ، ماکرومولکول ها عبارتند از: پلی الفین ها ، پلی پلیول ها ، پلی آنول ها ، اسیدهای پلی اونیک ، پلی آمیدها و سایر ماکرومولکول ها.

ج. مواد کنترل دما تغییر فاز ترکیبی

مواد کنترل دما تغییر فاز کامپوزیت عمدتا به سیستم های مخلوط عمومی یا سیستم های eutectic از ترکیبات دوتایی یا چندگانه با ویژگی های مشابه ، مواد تغییر فاز جامد مایع با شکل پایدار و مواد تغییر فاز کامپوزیت معدنی و آلی اشاره دارد. مواد تغییر فاز کامپوزیت معمولاً دو شکل دارند: یکی مخلوطی از دو ماده تغییر فاز است. دیگری ماده تغییر فاز شکل گرفته است. اگرچه ساخت مخلوط مواد تغییر دهنده دو فاز ساده است ، اما معایب مواد تغییر فاز عمومی مانند نیاز به کپسول سازی را دارد که مستعد نشت و استفاده از آن نیست.

D. مواد کنترل دما تغییر فاز کیفی

این نوع ماده کنترل دما تغییر فاز یک ماده کنترل کننده دما است که از مواد تغییر فاز و پلیمر تشکیل شده است. مواد تغییر فاز به طور کلی اسید آلی پارافین و غیره است. ماده پلیمر به طور کلی HDPE است (پلی اتیلن با چگالی بالا ، که دارای نقطه ذوب بالاتری است ، به عنوان یک پشتیبانی) ، از ماده دوم به عنوان یک ماده پشتیبانی و مهر و موم استفاده می شود تا حاوی فاز باشد تغییر مواد در هر یک از فضاهای کوچک آن. بنابراین ، هنگامی که ماده تغییر فاز دچار تغییر فاز شود ، ماده کنترل دما تغییر کیفی فاز می تواند شکل خاصی را حفظ کند و هیچ ماده تغییر فاز نشت نمی کند.

در مقایسه با مواد تغییر فاز معمولی ، تنظیم درجه حرارت کیفی تغییر فاز نیازی به تجهیزات بسته بندی ندارد ، که هزینه های بسته بندی و مشکلات بسته بندی را کاهش می دهد ، از خطر نشت مواد جلوگیری می کند ، ایمنی استفاده از مواد را افزایش می دهد و مقاومت در برابر انتقال حرارت ظرف را کاهش می دهد ، که منجر به تبادل گرما بین ماده تغییر فاز و مایع انتقال حرارت می شود.

(3) مواد تنظیم کننده دما برای تغییر فاز که برای الیاف پارچه استفاده می شود

از آنجا که بدنه اصلی این مقاله توضیح می دهد پارچه الیاف PCM عمدتا دما و انرژی تغییر فاز بدن را برای پوشیدن راحت می کند ، بنابراین مواد تغییر فاز (PCM) قابل اجرا بسیار محدود هستند. در حال حاضر ، PCM های توسعه یافته بین المللی با توجه به نوع ، ترکیب و عملکردشان به شرح زیر طبقه بندی می شوند:

مواد تغییر فاز غیر آلی (I-PCM)

ترکیب: مانند نمک هیدراته Na2HPO4 · 12H2O ، CaCl2 · 6H2O ، Na2SO4 · 10H2O و غیره عملکرد آن: دمای زیر 35 ؛ انرژی 120J / g ～ 300J / g؛ علامت حلقوی {{14}}؛ علامت پاسخگو ++؛ ویژگی ها قیمت پایین ، چگالی ذخیره گرمای زیاد ، رسانایی گرمایی زیاد است. مشکل غلظت انرژی و خنک کردن زیاد است ، جدا کردن آسان ، عملکرد ذخیره سازی حرارت ضعیف است.

مواد تغییر فاز ارگانیک (O-PCM)

A. ترکیب: هیدروکربن پارافین ، چربی آلی CnH2n+2 ، CnH2nO2 و غیره عملکرد آن: دما 18 ℃ ～ 40 ℃ ؛ انرژی 200J / g ～ 300J / g ؛ علامت چرخش +++ علامت پاسخگویی ++؛ ویژگی این است که گرمای همجوشی زیاد است ، اما سرد است و رسوب نمی کند. مشکل این است که رسانایی گرمایی کوچک است ، چگالی کم است.

B. ترکیب: پلی ال ها: PG ، NPG ، PEG و غیره عملکرد آن: دمای 24 ℃ ～ 40 ؛ انرژی 100J / g ～ 300J / g؛ علامت چرخه ++++ علامت پاسخگو ++؛ ویژگی ها تغییر شکل کوچک و خنک کننده ، بازده حرارتی بالا ، عمر طولانی است. مشکل این است که درجه حرارت بالا کریستال پلاستیک است ، از دست دادن فرار آسان است.

مواد تغییر فاز ترکیبی (C-PCM)

ترکیب: کامپوزیت غیر آلی ، آلی ، مواد کامپوزیت ذخیره انرژی (CESM) و ... عملکرد آن: دما -140 ℃ ～ 670 ℃ ؛ انرژی 100J / g ～ 500J / g؛ مارک چرخه ای ++++ پاسخگو مارک؛ ویژگی های چگالی ذخیره انرژی بالا ، انتقال سریع گرما ، پردازش پایدار ، آسان.

(4) روش های آزمایش برای پایداری تنظیم دما مواد تغییر فاز

پایداری تنظیم دما پیش شرط اصلی استفاده از مواد تغییر فاز در منسوجات الیافی ، به ویژه ثبات تنظیم دما مواد تغییر فاز کامپوزیت (C-PCM) و مواد تغییر فاز کیفی (Q-PCM) است. در زیر تغییر فاز معرفی شده است. روش آزمایش برای پایداری مواد کامپوزیتی تنظیم کننده دما شامل روشهای زیر است:

نمونه ها را آماده کنید: وزن استاندارد مواد کامپوزیتی تنظیم کننده دما را به طور مساوی در منطقه آزمایش مواد کامپوزیت تنظیم کننده دما تغییر دهید تا در مرکز کاغذ فیلتر استاندارد قرار گیرد تا نمونه مورد آزمایش آماده شود.

akeپخت نمونه: نمونه مورد آزمایش را به داخل اجاق منتقل کنید و آن را در دمای ثابت 40 ℃ ～ 50 ℃ به مدت 5-12 ساعت بپزید ، سپس نمونه آزمایش را بیرون بیاورید.

bs مشاهده نمونه: ترشح م componentلفه سیال کاری تنظیم کننده دما را در خارج از منطقه آزمایش ماده ترکیبی تنظیم کننده دما تغییر دهید ، روی کاغذ فیلتر مشاهده کنید و حداکثر و حداقل قطر دایره ترشح تشکیل شده در خارج را اندازه بگیرید. منطقه آزمون میانگین قطر دایره ترشحات با حداکثر قطر و حداقل قطر دایره ترشح محاسبه می شود.