Serat dan tekstil pengatur suhu yang cerdas adalah produk berteknologi tinggi yang berkembang pesat pada 1990-an dan penuh vitalitas. Tidak hanya dapat meningkatkan kenyamanan pakaian, tetapi juga memiliki nilai tambah yang tinggi dan dapat mencapai manfaat yang tinggi. Dengan pengenalan teknologi tinggi dan baru yang berkelanjutan ke bidang ini, kebutuhan orang' untuk pakaian dan fungsionalitas kelas atas telah meningkat. Pengembangan jenis baru kain serat pengatur suhu cerdas perubahan fase memiliki prospek pengembangan yang baik dan prospek aplikasi yang luas.
Sejarah perkembangan perubahan fase serat pengatur suhu cerdas
Serat perubahan fase adalah jenis serat fungsional penyimpanan panas dan pengaturan suhu yang dikembangkan dengan menggunakan karakteristik melepaskan atau menyerap panas laten dan menjaga suhu konstan selama perubahan fase material.
Penelitian serat pengatur suhu cerdas perubahan fase berasal dari Amerika Serikat pada 1980-an. Serat pengatur suhu cerdas berbasis serat akrilik pertama yang dikembangkan oleh proyek penelitian Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional diperoleh dengan menambahkan mikrokapsul yang dilapisi dengan hidrokarbon parafin bahan perubahan fase ke dalam larutan pemintalan serat akrilik. Jaket yang dikembangkan oleh rencana bulan untuk pakaian astronot dan perlindungan instrumen presisi dalam eksperimen ruang angkasa berhasil dikembangkan pada tahun 1988 dan digunakan untuk penggunaan komersial untuk pertama kalinya pada tahun 1994. Pada tahun 1997, Badan Antariksa AS mendirikan Gateway, sebuah perusahaan yang mengkhususkan diri dalam pengembangan dan penelitian serat pengatur suhu yang cerdas. Serat berbasis serat akrilik Outlast terdaftar sebagai yang bertahan lebih lama, yang dikembangkan untuk pakaian umum dan dijual di pasar AS dan Eropa. Sejak itu, Perusahaan Serat Kelheim Jerman dan Perusahaan Outlast telah bekerja sama untuk mengembangkan serat viscose Outlast. Bahkan, itu diperoleh dengan menambahkan mikrokapsul bahan pengubah fase ke larutan pemintalan serat viscose. Efek insulasi panasnya mencapai 42,5% dan telah dipatenkan. .
Saat ini, bahan perubahan fase digunakan sebagai pengembangan dan penerapan serat kontrol suhu cerdas perubahan fase. Amerika Serikat dan Swiss lebih matang di luar negeri. Serat pengontrol suhu yang mereka hasilkan sebagian besar adalah teknologi pemintalan mikrokapsul; Eropa dan Jepang juga memiliki penelitian di bidang ini. . Jerman adalah yang pertama berhasil mengembangkan bahan finishing mikrokapsul penyimpan panas natrium sulfat; kemudian, ia mengembangkan kain yang diisi dengan pelarut dan gas inert dalam serat berongga. Teknologi perwakilan Jepang' adalah pelapis bubur mikrokapsul yang dikembangkan oleh Daiwa Chemical Industry.
Jenis pengaturan suhu kain serat
(1) Serat pengatur suhu searah
Jenis serat ini memiliki fungsi pengaturan suhu tunggal, yang dapat meningkatkan atau menurunkan suhu. Salah satunya adalah serat pemanas EKS dan Softwarm yang diproduksi oleh Japan Toyobo Co., Ltd.; yang lainnya adalah serat rami dan serat giok dengan fungsi pendinginan. Karena mereka hanya memiliki efek pengaturan suhu satu arah, serat ini memiliki kekurangan yang jelas. Oleh karena itu, ketika arah perubahan suhu lingkungan berlawanan dengan arah penyesuaian suhu, itu tidak akan berfungsi dengan baik, dan bahkan menyebabkan konsekuensi yang merugikan.
(2) Serat pengatur suhu dua arah
Bahan pengubah fasa (Bahan pengubah fasa, disebut sebagai PCM) yang dapat secara mandiri menyesuaikan lingkungan dingin dan panas, memiliki fungsi penyesuaian suhu dan kemampuan beradaptasi dua arah. Melalui produksi dan pemrosesan, PCM ditambahkan ke matriks serat dalam bentuk teknologi tertentu. Ketika perubahan fase tercapai Pada suhu, ia dapat secara aktif mencegah fluktuasi suhu yang berlebihan pada pakaian melalui pemanasan terputus-putus. Energi proses perubahan fasa disimpan dalam bahan perubahan fasa untuk meningkatkan kapasitas panasnya; ketika suhu lingkungan turun, ia akan secara cerdas melepaskan energi yang tersimpan dan dapat digunakan berulang kali dalam lingkungan osilasi suhu, sehingga disebut"Transformasi serat termostat cerdas (STFT)".
Mekanisme perubahan fase STFT' dan prinsip pengaturan suhu
STFT juga disebut serat pendingin udara. Mekanisme perubahan fasa STFT mengacu pada fakta bahwa dalam kondisi tertentu, ketika suhu zat tertentu pada dasarnya tidak berubah dan keadaan fasa berubah, panas laten perubahan fasa jauh lebih besar daripada panas sensibel perubahan fasa. Perubahan fase serat pengatur suhu cerdas adalah jenis serat baru yang menggunakan perubahan fase material untuk melepaskan atau menyerap panas laten untuk menjaga suhu tetap konstan. Perubahan fase terutama dimanifestasikan sebagai transisi antara cair dan padat, atau perubahan fase kristal-kristal, kristal-cair dan struktur agregasi molekuler dalam padatan, dan energi panas mempertahankan suhu.
(1) Mekanisme transisi fase STFT
Perbedaan antara kain serat pengatur suhu cerdas perubahan fase dan kain serat tradisional terletak pada mekanisme pelestarian panas yang berbeda. Pakaian isolasi termal tradisional terutama menggunakan metode isolasi termal untuk menghindari pengurangan suhu kulit yang berlebihan, sedangkan mekanisme isolasi termal dari serat perubahan fase tidak peka terhadap deformasi, kelembaban dan tekanan udara, dan tidak terasa terlalu pengap atau berat. Ini dapat memberi tubuh manusia iklim mikro yang nyaman. lingkungan. Alasannya adalah karena PCM menyediakan regulasi termal, bukan insulasi termal. Realisasi mekanisme perubahan fasa dan mekanisme penyesuaian suhu ini adalah bahwa dalam lingkungan termal, ketika suhu leleh media perubahan fasa tercapai, kristal media perubahan fasa berubah, dan rantai molekulnya mengatasi gaya antarmolekul, molekul jarak meningkat, dan kristal Mencair, serat menyerap panas; ketika serat memasuki lingkungan dingin dari lingkungan panas, ketika suhu lebih rendah dari titik kristalisasi media perubahan fase, rantai molekul dalam media perubahan fase secara teratur diatur untuk membentuk kristal, dan serat melepaskan panas; penyimpanan energi perubahan fase Dengan cara ini, serat mencapai tujuan pengaturan suhu dengan menyerap dan melepaskan panas.
(2) Prinsip pengaturan suhu STFT
STFT berasal dari mekanisme perubahan fase PCM dalam kain serat. Proses penyerapan panas dan pelepasan panas bersifat otomatis, reversibel, dan tidak terbatas. Keuntungan dari prinsip pengaturan suhu adalah: kontrol suhu untuk menyeimbangkan suhu dan kebutuhan panas yang sesuai untuk kenyamanan sepanjang hari; ketahanan suhu yang baik, memberikan efek pendinginan; menyerap kelebihan panas tubuh, dan melepaskannya ketika suhu permukaan tubuh menurun, mencegah permukaan tubuh terlalu dingin.
Oleh karena itu, tekstil serat yang mengandung PCM menjaga kestabilan suhu tubuh antara tubuh manusia dan lingkungan eksternal terlepas dari apakah suhu lingkungan eksternal meningkat atau menurun, sehingga menciptakan quot;lingkungan iklim mikro " untuk tubuh manusia yang tidak dingin dan tidak panas.
(3) Standar pengukuran kemampuan pengaturan suhu STFT
Fungsi penyesuaian suhu serat kontrol suhu cerdas dinyatakan oleh"Adaptive Comfort Rating" Nilai (Peringkat Kenyamanan Adaptif), yang digunakan untuk mengukur kemampuan produk' menyerap, menyimpan, dan melepaskan energi jika diperlukan. Semakin tinggi tingkat ACR produk, semakin nyaman produk tersebut. Nilai ACR dari serat tradisional mendekati nol, dan sulit bagi mereka untuk menyimpan panas.
Pemilihan penyesuaian suhu dan kinerja jenis bahan PCM
Transisi fase mengacu pada fenomena bahwa keadaan fase zat tertentu berubah pada suhu tertentu. Energi yang diserap atau dilepaskan selama perubahan fasa disebut panas perubahan fasa (juga disebut panas laten perubahan fasa), dan jumlah panas yang diserap dan dilepaskan selama perubahan suhu material disebut panas sensibel. Dibandingkan dengan panas sensibel, panas perubahan fasa jauh lebih besar. Oleh karena itu, pemilihan bahan perubahan fasa adalah langkah pertama untuk menyiapkan serat dan tekstil pengatur suhu yang cerdas.
(1) Pemilihan bahan kontrol suhu perubahan fase
Mempertimbangkan persyaratan khusus aplikasi serat dan pemrosesan kain, tidak banyak bahan pengatur suhu perubahan fase yang dapat digunakan untuk serat kain. Pertama-tama, suhu kristalisasi (suhu penahanan) dari bahan perubahan fasa harus sesuai dan cocok untuk bidang aplikasi. Mengambil serat penyimpan energi perubahan fasa sebagai contoh, sebagian besar serat penyimpan energi perubahan fasa yang dilaporkan sejauh ini memiliki kelemahan suhu kristalisasi yang terlalu tinggi, dan mereka tidak dapat diterapkan dengan baik di bidang serat pakaian; kedua, kemampuan proses dari serat penyimpan energi perubahan fase, bahan perubahan fase sebagian besar oligomer, dengan berat molekul yang relatif rendah, dan stabilitas kimianya, stabilitas termal, kemampuan berputar setelah digabungkan dengan matriks serat, dll. harus dipertimbangkan.
Prinsip-prinsip penyaringan bahan serat perubahan fase yang cocok untuk tekstil: (1) Kepadatan penyimpanan energi yang tinggi. Bahan perubahan fasa harus memiliki volume satuan yang lebih tinggi, panas laten perubahan fasa yang lebih tinggi per satuan massa dan kapasitas panas spesifik yang lebih besar. (2) Suhu transisi fase. Titik leleh harus memenuhi penggunaan tekstil dan pakaian, dan rentang suhu perubahan fase yang konsisten dengan suhu penggunaan harus dipilih sesuai dengan iklim dan penggunaan yang berbeda. (3) Aman dan terpercaya. Sifat kimia dan fisik bahan perubahan fasa stabil, tidak korosif, tidak berbahaya, tidak beracun, dan tidak mudah terbakar. (4) konduktivitas termal. Bahan perubahan fasa harus memiliki konduktivitas termal yang besar dan sesuai, sensitivitas tinggi, dan mampu menyerap dan melepaskan panas dengan cepat. (5) Proses transisi fase. Proses perubahan fasa harus benar-benar reversibel dan hanya terkait dengan suhu. (6) Perubahan volume. Ketika fase berubah, perubahan volume kecil. (7) Tekanan perubahan fasa. Tekanan uap yang sesuai pada suhu kerja bahan perubahan fasa harus relatif rendah. (8) Stabilitas transisi fasa. Setelah perubahan fase berulang, kinerja penyimpanan panas sedikit berkurang. (9) Kepadatan transisi fase. Kepadatan dua fase bahan perubahan fase harus sebesar mungkin, untuk mengurangi biaya wadah. (10) Supercooling perubahan fasa. Pendinginan kecil dan laju pertumbuhan kristal tinggi. (11) Secara ekonomi layak.
Dalam proses pengembangan yang sebenarnya, sangat sulit untuk menemukan material pengubah fasa yang memenuhi kondisi ideal tersebut. Oleh karena itu, orang sering pertama-tama mempertimbangkan suhu transisi fase yang sesuai dan panas transisi fase besar, dan kemudian mempertimbangkan berbagai faktor komprehensif yang memengaruhi penelitian dan aplikasi.
(2) Jenis bahan kontrol suhu perubahan fase
Sejauh ini, ada lebih dari 500 material termoregulasi perubahan fase (PCM) tipe tunggal yang telah dikembangkan dan diterapkan, serta material termoregulasi perubahan fase komposit dan kualitatif dengan karakteristik perubahan fase yang unik yang dikembangkan dan diterapkan melalui teknologi komposit. Jenis bahan pengatur suhu perubahan fasa yang saat ini dikembangkan dan diterapkan adalah: Klasifikasi yang berbeda menurut suhu penyimpanan panas bahan: Menurut kisaran suhu perubahan fasa, bahan pengatur suhu perubahan fasa dapat dibagi menjadi tiga utama bahan perubahan fase: suhu tinggi, suhu sedang dan suhu rendah. Bahan perubahan fase suhu tinggi terutama mengacu pada beberapa garam cair dan bahan paduan logam; bahan perubahan fase suhu menengah terutama mengacu pada beberapa garam terhidrasi kristal, bahan organik dan polimer; bahan perubahan fase suhu rendah terutama mengacu pada bahan seperti es dan hidrogel. Klasifikasi yang berbeda sesuai dengan bentuk perubahan fasa material: Bahan kontrol suhu perubahan fasa dapat dibagi menjadi empat kategori: perubahan fasa padat-padat, perubahan fasa padat-cair, perubahan fasa padat-gas dan bahan perubahan fasa cair-gas. Diantaranya, bahan penyimpan panas perubahan fasa padat-padat tidak mengalami perubahan fasa, tetapi bentuk kristal dari bahan perubahan fasa berubah. Tentu saja, panas juga diserap dan dilepaskan selama proses perubahan bentuk kristal. Diklasifikasikan menurut komposisi kimia bahan: bahan pengubah fasa anorganik (I-PCM), bahan pengubah fasa organik (O-PCM), bahan pengubah fasa komposit (C-PCM) dan bahan pengubah fasa kualitatif (Q-PCM).
Berikut ini adalah penjabaran dari bahan yang mengalami perubahan fasa menurut klasifikasi komposisi kimianya:
A. Bahan pengatur suhu perubahan fase anorganik: Bahan perubahan fase anorganik terutama mencakup zat anorganik seperti garam kristal terhidrasi, garam cair, dan paduan logam. Yang paling khas dari ini adalah garam kristal terhidrasi, yang memiliki panas peleburan yang besar dan titik leleh yang tetap. Esensinya mengacu pada suhu di mana air kristal dihilangkan, dan air kristal yang dikeluarkan dapat melarutkan garam dan menyerap panas. Ketika suhu diturunkan, proses sebaliknya terjadi, menyerap air kristal dan eksotermik. Mekanisme transisi fasa dinyatakan sebagai berikut: AB·mH2O→AB+mH2O+Q, AB·mH2O→AB·pH2O+(mp)H2O+Q, di mana m dan p adalah jumlah air kristal, dan Q adalah panas peleburan.
Zat yang paling umum digunakan dari jenis ini adalah hidrat dari logam alkali dan halida logam alkali tanah, sulfat, fosfat, nitrat, asetat dan karbonat, dan yang mewakili adalah: Na2SO4·10H2O , Mg(NO3)2·6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2·6H2O, CaBr2·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O, NH4Al(SO4)2·12H2O, Na2S2O3·5H2O, dll.
B. Bahan kontrol suhu perubahan fase organik
Bahan pengubah fasa tersebut biasanya digunakan: parafin, asam karboksilat, hidrokarbon alifatik yang lebih tinggi, asam lemak atau ester atau garamnya, alkohol, hidrokarbon aromatik, keton aromatik, amida, freon dan asam polihidroksi karbonat, dll.; Selain itu, makromolekul meliputi: poliolefin, polipoliol, polienol, asam polienoat, poliamida, dan makromolekul lainnya.
C. Bahan kontrol suhu perubahan fase komposit
Bahan kontrol suhu perubahan fase komposit terutama mengacu pada sistem campuran umum atau sistem eutektik dari senyawa biner atau ganda dengan sifat serupa, bahan perubahan fase padat-cair dengan bentuk stabil, dan bahan perubahan fase komposit anorganik dan organik. Bahan perubahan fasa komposit umumnya memiliki dua bentuk: satu adalah campuran dari dua bahan perubahan fasa; yang lainnya adalah bahan perubahan fasa berbentuk. Meskipun pencampuran bahan pengubah dua fasa mudah dibuat, ia memiliki kelemahan bahan pengubah fasa umum, seperti kebutuhan untuk enkapsulasi, yang rentan terhadap kebocoran dan tidak aman untuk digunakan.
D. Bahan kontrol suhu perubahan fase kualitatif
Jenis bahan kontrol suhu perubahan fase ini adalah bahan kontrol suhu campuran yang terdiri dari bahan perubahan fase dan polimer. Bahan perubahan fase umumnya asam organik parafin, dll. Bahan polimer umumnya HDPE (polietilen densitas tinggi, yang memiliki titik leleh lebih tinggi, Sebagai pendukung), yang terakhir digunakan sebagai bahan pendukung dan penyegel untuk menampung fase mengubah materi di setiap ruang mikronya. Oleh karena itu, ketika bahan perubahan fasa mengalami perubahan fasa, bahan kontrol suhu perubahan fasa kualitatif dapat mempertahankan bentuk tertentu, dan bahan perubahan fasa tidak akan bocor.
Dibandingkan dengan bahan perubahan fase biasa, pengaturan suhu perubahan fase kualitatif tidak memerlukan peralatan pengemasan, yang mengurangi biaya pengemasan dan kesulitan pengemasan, menghindari risiko kebocoran material, meningkatkan keamanan penggunaan material, dan mengurangi ketahanan perpindahan panas wadah. Yang kondusif untuk pertukaran panas antara bahan perubahan fasa dan fluida perpindahan panas.
(3) Bahan pengatur suhu perubahan fase yang digunakan untuk serat kain
Karena bagian utama artikel ini menjelaskan bahwa kain serat PCM terutama mengatasi suhu dan energi perubahan fasa yang nyaman dipakai oleh tubuh manusia, sehingga bahan pengubah fasa (PCM) yang berlaku sangat terbatas. Saat ini, PCM utama yang dikembangkan secara internasional diklasifikasikan sebagai berikut menurut jenis, komposisi, dan kinerjanya:
Bahan perubahan fasa anorganik (I-PCM)
Komposisi: seperti garam terhidrasi Na2HPO4·12H2O, CaCl2·6H2O, Na2SO4·10H2O, dll. Kinerjanya: suhu di bawah 35℃; energi 120J/g～300J/g; tanda siklik {{14}}; tanda responsif ; karakteristiknya adalah harga rendah, kepadatan penyimpanan panas yang tinggi, konduktivitas termal yang besar; masalahnya adalah konsentrasi energi dan subcooling Besar, mudah dipisahkan, kinerja penyimpanan panas yang buruk.
Material perubahan fasa organik (O-PCM)
A. Komposisi: hidrokarbon parafin, lemak organik CnH2n+2, CnH2nO2, dll. Kinerjanya: suhu 18℃～40℃; energi 200J/g～300J/g; tanda siklus ; tanda responsif ; karakteristiknya adalah panas peleburannya besar, tetapi dingin dan tidak mengendap; masalahnya adalah konduktivitas termalnya kecil, kerapatannya kecil.
B. Komposisi: Poliol: PG, NPG, PEG, dll. Kinerjanya: suhu 24℃～40℃; energi 100J/g～300J/g; tanda siklus ; tanda responsif ; karakteristiknya adalah deformasi dan subcooling kecil, efisiensi termal tinggi, umur panjang; masalahnya adalah suhu tinggi adalah kristal plastik, mudah menguap.
Bahan perubahan fasa komposit (C-PCM)
Komposisi: anorganik, komposit organik, material komposit penyimpanan energi (CESM), dll. Kinerjanya: suhu -140℃～670℃; energi 100J/g～500J/g; penandaan siklik ; penandaan responsif ; karakteristik kepadatan penyimpanan energi yang tinggi, perpindahan panas yang cepat, stabil, Pemrosesan yang mudah.
(4) Metode pengujian untuk stabilitas pengaturan suhu bahan perubahan fasa
Stabilitas pengaturan suhu adalah prasyarat utama untuk penggunaan bahan perubahan fasa dalam tekstil serat, terutama stabilitas pengaturan suhu bahan perubahan fasa komposit (C-PCM) dan bahan perubahan fasa kualitatif (Q-PCM). Sebuah perubahan fase diperkenalkan di bawah ini. Metode pengujian untuk stabilitas bahan komposit pengatur suhu meliputi prosedur berikut:
Siapkan sampel: Sebarkan berat standar bahan komposit pengatur suhu perubahan fase secara merata di area uji bahan komposit pengatur suhu perubahan fase di tengah kertas saring standar untuk menyiapkan sampel yang akan diuji;
Panggang sampel: pindahkan sampel yang akan diuji ke dalam oven dan panggang pada suhu konstan 40℃～50℃ selama 5-12 jam, lalu keluarkan sampel uji;
Mengamati sampel: Amati eksudasi komponen fluida kerja pengatur suhu perubahan fase di luar area uji bahan komposit pengatur suhu perubahan fase pada kertas saring, dan ukur diameter maksimum dan minimum dari lingkaran eksudasi yang terbentuk di luar daerah tes. Diameter rata-rata lingkaran eksudasi dihitung dengan diameter maksimum dan diameter minimum lingkaran eksudasi.