Materiały zmieniające fazę (PCM) w tekstyliach
Ochrona przed ekstremalnymi warunkami środowiskowymi jest bardzo ważnym wymogiem w przemyśle tekstylnym. Odzież, która chroni nas przed wodą, ekstremalnym zimnem, intensywnym upałem, otwartym ogniem, wysokim napięciem, zasilanymi pociskami, toksycznymi chemikaliami, promieniowaniem jądrowym, toksynami biologicznymi itp. To tylko kilka zdjęć.
Ubrania takie są używane jako odzież sportowa, odzież obronna, odzież przeciwpożarowa, kurtki kuloodporne i inna odzież profesjonalna. Produkty tekstylne można uczynić wygodniejszymi, jeśli właściwości materiałów tekstylnych można dostosować do wszystkich rodzajów środowisk.
Aby spełnić powyższe wymagania, materiały do zmiany fazy (PCM) są obecnie tak inteligentnym materiałem. Absorbuje, magazynuje lub oddaje ciepło w zależności od różnych zmian temperatury i jest częściej wykorzystywany do produkcji inteligentnych tekstyliów.
Materiały zmieniające fazę
& # 39; Zmiana fazy & # 39; to proces przechodzenia z jednego stanu do drugiego, np. B. od ciała stałego do płynu. Każdy materiał, który doświadcza procesu zmiany fazy, nazywany jest materiałem zmiany fazy (PCM).
Takie materiały zbierają, odprowadzają lub pochłaniają ciepło, gdy oscylują między formami stałymi i ciekłymi. Oddają ciepło, gdy przechodzą w stan stały, i pochłaniają, gdy wracają do stanu ciekłego. Istnieją trzy podstawowe fazy substancji stałej, płynnej i gazowej, ale inne, takie jak fazy krystaliczna, koloidalna, szklista, amorficzna i plazma, również uważa się za obecne.
To fundamentalne zjawisko naukowe zostało pierwotnie opracowane i wykorzystane do budowy skafandrów kosmicznych dla astronautów w amerykańskim programie kosmicznym. Te kombinezony utrzymywały astronautów w cieple w czarnej pustce kosmosu i chłodzie w świetle słonecznym. Materiały zmieniające fazę to związki, które topią się i zestalają w określonych temperaturach, a zatem mogą zatrzymywać lub uwalniać duże ilości energii.
Magazynowanie energii cieplnej poprzez zmianę fazy materiału w stałej temperaturze jest klasyfikowane jako „ciepło utajone”, tj. Zmiana ze stanu ciekłego na stały. Gdy PCM ulega zmianie fazy, wymagana jest duża ilość energii. Najważniejszą cechą utajonego ciepła jest to, że przenosi ono znacznie większe ilości energii niż wrażliwe przenoszenie ciepła.
Cicho niektóre z tych PCM zmieniają swoje fazy w zakresie temperatur tuż powyżej i poniżej temperatury ludzkiej skóry. Ta właściwość niektórych substancji jest wykorzystywana do produkcji całorocznych kombinezonów ochronnych i nagle zmienia środowisko. Włókno, tkanina i pianka z wbudowanymi modułami PCM przechowują ciepło ciała, a następnie oddają je ciału, gdy ciało tego potrzebuje. Ponieważ proces zmiany fazy jest dynamiczny, materiały przemieszczają się w sposób ciągły z ciała stałego do płynu i z powrotem zgodnie z fizycznym ruchem ciała i temperaturą zewnętrzną. Stosowane są również materiały zmieniające fazę, ale nigdy się nie zużywają.
Materiały zmieniające fazę to woski, które mają charakterystyczną zdolność do pochłaniania i uwalniania energii cieplnej bez zmiany temperatury. Te woski obejmują eikozan, oktadekan, nonadekan, heptadekan i heksadekan. Wszystkie mają różne temperatury zamarzania i topnienia. Po zmieszaniu z mikrokapsułką magazynują i uwalniają energię cieplną oraz utrzymują zakres temperatur od 30 do 34 ° C, co jest bardzo przyjemne dla organizmu.
Ilość ciepła pochłoniętego przez PCM w rzeczywistej zmianie fazy z ilością ciepła pochłoniętego w normalnym procesie ogrzewania można ocenić, przyjmując wodę jako PCM. Topienie lodu w wodzie prowadzi do absorpcji utajonego ciepła o wartości prawie 335 J / g. W miarę wrzenia wody pochłaniane jest ciepło o wartości zaledwie 4 J / g wraz ze wzrostem temperatury o jeden stopień. Dlatego utajona absorpcja ciepła podczas zmiany fazy z lodu na wodę jest około 100 razy większa niż rozsądna absorpcja ciepła.
Jak zasymilować PCM w tkaninach?
Mikrokapsułkowane PCM można łączyć z tkaninami, włókninami lub dzianinami.
Kapsułki można dodawać do tkaniny na kilka sposobów, na przykład:
Mikrokapsułki: Mikrokapsułki o różnych kształtach – okrągłe, kwadratowe i trójkątne w obrębie włókien w fazie polimerowej. Mikrokapsułki PCM są trwale zamocowane w strukturze włókien podczas procesu przędzenia na mokro produkcji włókien. Mikrokapsułkowanie zapewnia miękkość dłoni, większą rozciągliwość, większą oddychalność i przepuszczalność powietrza.
Powlekanie matrycowe podczas procesu wykańczania: Mikrokapsułki PCM są osadzone w materiale powłokowym, takim jak akryl, poliuretan itp. I są nakładane na tkaninę. Istnieje wiele procesów powlekania, takich jak nawijanie nożem, nanoszenie powietrzem, utwardzanie metodą tampodruku, druk wklęsły, powlekanie zanurzeniowe i powlekanie transferowe.
Dyspersja piany: Mikrokapsułki miesza się w dmuchaną wodą mieszaninę pianki poliuretanowej i pianki te nakłada się na tkaninę w procesie laminowania, a wodę usuwa się z układu w procesie suszenia.
Systemy ciała i odzieży
Wymagana izolacja termiczna systemów odzieży zależy głównie od aktywności fizycznej i warunków środowiskowych, takich jak temperatura i wilgotność względna. Ilość ciepła wytwarzanego przez ludzi zależy w dużej mierze od aktywności fizycznej i może wynosić od 100 W w spoczynku do ponad 1000 W przy maksymalnej wydajności fizycznej.
Zwłaszcza w chłodniejszych porach roku (ok. 0 ° C) zalecana jest izolacja termiczna zapewniająca wystarczająco ciepłe ciało w spoczynku. Przy ekstremalnej aktywności, jak to często bywa w sportach zimowych, temperatura ciała wzrasta wraz ze zwiększonym wytwarzaniem ciepła. Aby osiągnąć ten wzrost w określonym zakresie, ciało poci się, aby pobierać energię z ciała poprzez chłodzenie wyparne. Jeśli izolacja cieplna odzieży zostanie zmniejszona podczas aktywności fizycznej, część wytworzonego ciepła może zostać rozproszona przez konwekcję, dzięki czemu ciało nie będzie się tak mocno pocić.
Jakość izolacji odzieży przed ciepłem i zimnem jest w dużej mierze kontrolowana przez grubość i gęstość tkaniny składowej. Wysoka grubość i niska gęstość poprawiają izolację. W wielu przypadkach obserwuje się, że izolację termiczną zapewniają szczeliny powietrzne między warstwami odzieży.
Jednak temperatura zewnętrzna wpływa również na skuteczność izolacji. Im bardziej ekstremalna jest temperatura, czy to bardzo wysoka, czy bardzo niska, tym mniej skuteczna staje się izolacja. Dlatego odzież zaprojektowana dla jej zdolności do ochrony przed ciepłem lub zimnem jest wybierana przez użytkownika w oczekiwaniu na klimat, w którym odzież ma być noszona.
Jednakże ubranie wykonane z grubej tkaniny ma większy ciężar, a swoboda ruchów użytkownika jest ograniczona. Wtedy odzież wykonana z inteligentnego materiału, którego charakter może się zmieniać w zależności od temperatury zewnętrznej, może zapewnić doskonałą ochronę. Jednak takie ubranie musi być wygodne dla użytkownika.
Wpływ zmiany temperatury PCM
Mikrokapsułki PCM mogą wytwarzać małe, tymczasowe efekty ogrzewania i chłodzenia w warstwach odzieży, gdy temperatura warstw osiągnie temperaturę przejścia PCM. Wpływ materiałów zmieniających fazę na komfort cieplny systemów odzieży ochronnej jest prawdopodobnie większy, jeśli użytkownik często ulega przejściowym zmianom temperatury (to znaczy na przemian w ciepłym i zimnym otoczeniu) lub jest dotykany lub przenoszony od czasu do czasu z zimnymi przedmiotami. Temperatura warstw odzieży PCM często musi się zmieniać, aby efekt buforowania mógł być kontynuowany.
Najbardziej oczywistym przykładem jest konwersja wody w lód przy 0 ° i na parę przy 100 °. Istnieje wiele produktów, które zmieniają fazę w pobliżu temperatury ciała, a teraz są zintegrowane z włóknami i laminatami lub powłokami, które zmieniają fazę w temperaturze ciała lub w jej pobliżu, pomagając utrzymać i utrzymać stałą równowagę temperatury ciała. Jest przeznaczony dla sportowców w ekstremalnych warunkach oraz dla osób uprawiających sporty ekstremalne, takie jak wspinaczka górska i trekking. Jest stosowany w aplikacjach przemysłowych, w których ludzie są bardzo mobilni, na przykład w chłodnych pokojach i poza nimi.
Wpływ na substancje
Gdy skondensowany PCM jest podgrzewany do temperatury topnienia, pochłania energię cieplną, gdy przechodzi ze stanu stałego do ciekłego. Ta zmiana fazy tworzy krótkotrwały efekt chłodzenia w warstwach odzieży. Energia cieplna może pochodzić z ciała lub z ciepłego otoczenia. Gdy tylko PCM całkowicie się stopi, magazynowanie ciepła ustaje
Gdy odzież PCM jest noszona w zimnym otoczeniu, w którym temperatura jest niższa niż punkt zamarzania PCM, a temperatura tkanki spada poniżej temperatury przejścia, mikrokapsułkowana ciecz PCM powraca do stanu stałego i generuje energię cieplną oraz krótki efekt ogrzewania. Deweloperzy twierdzą, że ta wymiana ciepła działa buforująco na odzież, minimalizuje zmiany temperatury skóry i utrzymuje komfort cieplny użytkownika.
Warstwy odzieży wykonane z PCM muszą przejść przez zakres temperatur przejściowych, zanim PCM zmienią fazę i albo wytworzą lub pochłoną ciepło. Dlatego użytkownik musi podjąć wysiłek, aby zmienić temperaturę tkanki PCM. PCM są zjawiskami przejściowymi. Nie mają one wpływu na stacjonarne środowisko termiczne.
Aktywne systemy chłodzenia mikroklimatu wymagają baterii, pomp, płynów obiegowych i najnowszych urządzeń sterujących, aby zapewnić zadowalające chłodzenie ciała. Jednak ich działanie można regulować i dostosowywać tak, aby działało przez długi czas. Są jednak drogie i skomplikowane. Obecne pasywne urządzenia mikroklimatu wykorzystują ukrytą zmianę fazy; albo przez odparowanie wody z cieczy do gazu (falę wodną), przesunięcie fazowe ze stałego do ciekłego przez skrobię kukurydzianą / żel wodny lub z parafiną zawartą w plastikowych pęcherzykach.
Odzież z odparowaniem cieczy jest tańsza, ale ochładza się tylko minimalnie lub krótko w środowisku o wysokiej wilgotności występującym w odzieży ochronnej. Muszą również zostać ponownie zwilżone, aby ożywić odzież do ponownego użycia. Odzież chłodząca do wody / żelu skrobiowego jest obecnie preferowana przez wojsko i może zapewnić zarówno zadowalający, jak i długi czas chłodzenia w pobliżu 0 ° C (32 ° F), ale może również być bardzo zimna na skórze i potrzebuje jednego bardzo zimna zamrażarka (5 ° F), aby w pełni naładować lub odmłodzić odzież. Po pełnym naładowaniu żelowe PCM są nieco sztywnymi blokami, a ubranie ma ograniczoną oddychalność.
Inne ubrania parafinowo-PCM są stosunkowo tańsze, ale ich plastikowe pęcherze mogą się rozdzielić, powodując kapanie ich zawartości lub stwarzając poważne zagrożenie pożarowe. Ponadto parafina PCM topi się w temperaturze 18 ° C i musi być ładowana w lodówce lub lodówce w temperaturach poniżej 10 ° C. Ich szybkość chłodzenia również maleje z czasem, ponieważ bloki parafinowe są izolatorami cieplnymi i kontrolują ciepło, które można przenosić do nich lub z nich. Plastikowe pęcherze, w których umieszczono PCM, poważnie ograniczają przepływ powietrza i oddychalność odzieży, zmniejszając komfort.
Korzystanie z PCM
Tekstylia samochodowe
Naukowa teoria kontroli temperatury przez PCM była wykorzystywana na różne sposoby do produkcji tekstyliów. Latem temperatura w przedziale pasażerskim samochodu może znacznie wzrosnąć, jeśli samochód zostanie zaparkowany na zewnątrz. Aby regulować temperaturę wewnętrzną podczas jazdy, wiele samochodów jest wyposażonych w klimatyzację. Jednak zapewnienie wystarczającej wydajności chłodzenia wymaga dużo energii. Dlatego zastosowanie technologii materiałowej ze zmianą fazy w różnych zastosowaniach we wnętrzu pojazdu może zapewnić oszczędności energii i zwiększyć komfort cieplny wnętrza pojazdu.
Nosi odzież aktywną
Oczekuje się, że aktywne zużycie zapewni równowagę termiczną między ciepłem wytwarzanym przez ciało podczas ćwiczeń a ciepłem oddawanym otoczeniu. Normalne ubrania z aktywną odzieżą nie zawsze spełniają te wymagania. Ciepło wytwarzane przez organizm podczas wytężonej aktywności często nie jest uwalniane do środowiska w wymaganej ilości, co prowadzi do stresu termicznego. Z drugiej strony ciało ludzkie wytwarza mniej ciepła w fazach spoczynku między czynnościami. Przy tym samym uwalnianiu ciepła prawdopodobnie występuje hipotermia. Zastosowanie PCM w odzieży wspiera regulację szoków termicznych, a tym samym obciążenia cieplnego użytkownika i wspiera wzrost jego wydajności pracy przy dużych obciążeniach.
Odzież lifestyle – eleganckie kamizelki z polaru, czapki męskie, rękawiczki i odzież przeciwdeszczowa dla mężczyzn i kobiet.
Sporty na świeżym powietrzu – kurtki i podszewki kurtek, buty, buty golfowe, buty do biegania, skarpety oraz rękawice narciarskie i snowboardowe.
Od rzeczywistych zastosowań w skafandrach kosmicznych i rękawiczkach, materiały zmieniające fazę są również stosowane w towarach konsumpcyjnych.
Tekstylia lotnicze
Materiały zmieniające fazę stosowane w obecnych produktach konsumenckich zostały wyprodukowane głównie do stosowania w skafandrach kosmicznych i rękawiczkach w celu ochrony astronautów przed wyższymi wahaniami temperatury podczas wykonywania czynności poza pojazdem w przestrzeni kosmicznej.
Przydatność izolacji opiera się na mikrokapsułkowanych materiałach przemiany fazowej (mikro-PCM), które zostały opracowane przede wszystkim w celu ocieplenia rękawiczkowych dłoni astronautów chodzących w kosmosie. Materiały zostały uznane za idealne podszewki rękawic do obsługi ekstremalnych temperatur w kosmosie.
Tkaniny medyczne
Tekstylia z materiałami o przemianie fazowej (PCM) mogą wkrótce zostać wykorzystane w medycynie. Zwiększenie komfortu termofizycznego odzieży chirurgicznej, takiej jak odzież, czapki i rękawiczki. W pościeli, takich jak pokrowce na materace, zasłony i koce. Produkt, który wspiera wysiłek utrzymania pacjenta w odpowiedniej temperaturze podczas zabiegu, zapewniając izolację dostosowaną do temperatury ciała.
Inne zastosowania PCM
Materiały zmieniające fazę są obecnie stosowane w tekstyliach, w tym na kończynach: rękawiczki, buty, czapki itp. Można wybrać różne PCM do różnych zastosowań. Na przykład temperatura skóry w pobliżu tułowia wynosi około 33 ° C (91 ° F). Jednak temperatura skóry stóp wynosi prawie 30 do 31 ° C. Te materiały PCM mogą być użyteczne do 16 ° C, co wystarcza, aby zapewnić komfort osobom noszącym buty narciarskie na śniegu. Będą one nadal wykorzystywane do ochrony rdzenia ciała i przejdą na koce, śpiwory, materace i nakładki na materace.
Typy PCM
Standardowymi materiałami o przemianie fazowej są na ogół polimer / nośnik wypełniony wypełniaczem przewodzącym ciepło, który zmienia się z ciała stałego w bardzo lepki stan ciekły (lub półstały) w pewnej temperaturze przejścia. Materiały te dobrze dopasowują się do nieregularnych powierzchni i mają właściwości zwilżające, takie jak pasta termiczna, co znacznie zmniejsza odporność na kontakt na uderzających interfejsach. Dzięki tej strukturze kompozytowej materiały o przemianie fazowej są odporne na wstrząsy mechaniczne podczas wstrząsów i wibracji, a tym samym chronią matrycę lub element przed uszkodzeniem mechanicznym. Ponadto półstały stan tych materiałów w wysokiej temperaturze determinuje problemy związane z „wypompowywaniem” przy zginaniu termomechanicznym.
Po podgrzaniu do pożądanej temperatury przejścia materiał mięknie znacznie do prawie fizycznego stanu podobnego do cieczy, w którym materiał przewodzący ciepło rozszerza się nieznacznie. W wyniku tego wzrostu objętości materiał bardziej przewodzący ciepło przepływa do mikroskopijnych szczelin powietrznych między radiatorem a elementem elektronicznym i zastępuje je. Gdy szczeliny powietrzne między powierzchniami termicznymi są wypełnione, wysoki stopień zwilżenia dwóch powierzchni zmniejsza opór styku.
Istnieją zasadniczo dwa rodzaje materiałów zmieniających fazę:
. Przewodzący ciepło i izolujący elektrycznie.
. Przewodzący elektrycznie.
Główną różnicą między materiałami przewodzącymi ciepło i elektrycznie jest folia lub nośnik, którym powleczony jest polimer o przemianie fazowej. Najniższe właściwości izolacyjne napięcia można uzyskać dzięki materiałowi izolującemu elektrycznie.
Analiza funkcji bariery termicznej materiałów o przemianie fazowej w tekstyliach
Producenci mogą teraz korzystać z PCM, aby zapewnić komfort termiczny w różnych rodzajach odzieży. Aby wiedzieć, ile i jakiego rodzaju PCM użyć, oraz zmodyfikować materiał tekstylny, aby ubranie było odpowiednie do jego celu, ważne jest oszacowanie wpływu aktywnej bariery termicznej oferowanej przez te materiały.
Całkowita pojemność cieplna PCM w wielu produktach zależy od jego pojemności właściwej i ilości. Wymaganej ilości można się spodziewać, biorąc pod uwagę warunki aplikacji, pożądany efekt termiczny i czas jego trwania, a także pojemność cieplną określonego PCM. Struktura systemu nośnego i produktu końcowego wpływa również na sprawność cieplną PCM, którą należy zmierzyć w odniesieniu do wyboru materiału i projektu produktu.
Perspektywa PCM
Największym wyzwaniem przy opracowywaniu tekstylnej struktury PCM jest sposób jej wykorzystania. Kapsułkowanie PCM w powłoce polimerowej jest oczywistym wyborem, ale dodaje sztywnego ciężaru materiałowi aktywnemu. Skuteczne kapsułkowanie, stosunek rdzenia do ściany, kapsułkowanie, stabilność podczas aplikacji i włączanie kapsułek do struktury tkanek to tylko niektóre z mierzonych aspektów technologicznych.
Chociaż PCM są reklamowane w różnych rodzajach odzieży i pokrewnych produktach, zastosowania, w których mogą naprawdę działać, są ograniczone. Ponieważ opracowywane są najlepsze metody testowania PCM, producenci materiałów i odzieży PCM muszą nadal uważnie docierać do rynków, na których ich produkty działają dobrze.
Wniosek
Ponieważ w krajach rozwiniętych zainwestowano wiele badań i rozwoju, oczekuje się, że wkrótce pojawią się masowe stroje. Na przykład w Wielkiej Brytanii naukowcy opracowali włókno akrylowe, integrując mikrokapsułki pokrywające materiały o przemianie fazowej. Włókna te zostały wykorzystane do wytworzenia lekkich koców całorocznych.
Wielu producentów odzieży w Stanach Zjednoczonych produkuje obecnie wiele takich ubrań, takich jak: B. Bielizna termiczna i skarpety na warstwę wewnętrzną, dzianinowa koszula lub powlekany polar na warstwę izolacyjną. oraz kurtka z liniami pośrednimi PCM dla zewnętrznej warstwy obok kasków, innych nakryć głowy i rękawiczek. Takie ubrania mogą utrzymać ciepłe i wygodne temperatury w ekstremalnych warunkach pogodowych. Nie ma wątpliwości, że tkaniny integrujące PCM znajdą zastosowanie w różnych aplikacjach w najbliższej przyszłości.
