智能纺织品–相变材料概述作 者 S.Mondal
化学与生物工程，科罗拉多州立大学，柯林斯堡，共80523-1370系，美国
接受于2007年2月11；受理于2007年8月21
摘要
相变材料（PCM）利用潜热，可被存储或在较窄的温度范围内释放另一种物质。PCM具有在一定温度范围内改变其状态的能力。这些材料在加热过程中吸收能量，作为相变发生，在反向冷却过程中的相变范围内释放能量。用PCM达到保温效果取决于温度和时间。最近，PCM在涂层或封装纺织品的掺入使调温智能纺织品的发展使研究人员感兴趣。因此，已尝试检查PCM和智能调温纺织品的应用程序的工作原理。介绍了不同类型的相变材料。其次是将PCM在纺织结构进行了总结。本文讨论了热舒适性、冷环境、相变材料和服装舒适性的概念。阐述了PCM的纺织品的新应用。最后，PCM在纺织品领域的市场和一些挑战将在本文提到。
Elsevier股份有限公司版权所有。2007
关键词
相变材料；服装舒适性；微胶囊；智能调温织物
- 简介
科学的基本原则现在越来越多地越来越多地用于制造创新的纺织产品。其中的一个原则是“相变”，从一个物理状态到另一个物理状态的过程，即从一个固体到液体，反之亦然。最近纤维和纺织品具有自动适应的性能吸引了越来越多的关注。这种效应可以通过使用相变材料（PCM）实现[ 1 ]。用相变材料微胶囊[ 2 ]为纺织结构提高其热工性能的研究计划是美国国家航空航天局在上世纪80年代初开发的技术。最初的目的是在宇航员的太空服使用这些织物，以提供更好的热保护，防止外层空间的极端温度波动。从最初应用于宇航员服，之后PCM的纺织服装产品进入消费者市场。
热能储存（TES）为后期使用的高温或低温能量的临时储存。它在能源需求和能源使用[ 3 ]之间的建立时间差距。对于各种热存储技术的利益，潜热储热是特别有吸引力的，因为它的能力，能在等温下提供高存储密度。相变储热系统还有其他的优点，如存储和检索周期之间的温差较小，小单位的尺寸和单位存储容量的低重量[ 4 ][ 5 ]。
相变材料具有在一定温度范围内改变其状态的能力。这些材料在加热过程中吸收能量作为相变发生，否则，相位变化范围内的反向冷却过程的能量可以被转移到环境中。具有保温效果的PCM依赖于温度和时间；它发生相变时（在相变温度范围）和终止时，所有的相变材料的相变都会完成。由于这种类型的保温是暂时的，因此，它可以被称为动态热绝缘。今天，许多工程关于外壳的传热研究的最活跃的领域，就是关于相变材料的熔化的话题[7]。
含相变材料的纺织品在环境温度变化和身体不同区域的温度变化时立即会有反应。当温度升高时，相变微胶囊反应吸热液化相变材料储存能量。当温度再次下降时，微胶囊释放该储热的热能后相变材料再次凝固[ 8 ]。冷防护服材料的隔热性能可在通过微胶囊掺入后明显提高，这些胶囊中含有少量的PCM。制造商现在可以使用相变材料来提供各种各样服装的热舒适性。相变材料的使用，在加热过程中吸收能量，在冷却过程中释放的能量，不同程度的提高了保温性能，好于任何其他材料的隔热性能[ 9 ]。目前具有这种性质的复合相变储热材料是广泛利用与各类服装。相变微胶囊可直接掺入纤维和泡沫，或通常应用于织物涂层。在这篇文章中，介绍了纺织结构的工作原理和应用PCM的纺织品。
2.相变过程
潜热储热是储存热能的最有效途径之一。与显热存储方法不同的是，潜热储热方法提供了更高的存储密度，具有更小的存储和释放热量之间的温度差[ 10 ]。在加热过程中，每一种材料都会吸收热量，而温度则不断上升。在材料中储存的热量通过反向冷却过程释放到环境中。在冷却过程中，材料的温度不断下降。比较吸热相变材料（PCM）在熔化过程中与正常物料的热量比较， 较高的吸收使PCM熔化。石蜡相变材料，例如，吸收约200焦耳/公斤热如果发生熔化过程[ 10 ]。熔化过程中的石蜡吸收了高热量并使周围地区的降温，过程中的相变材料的结晶。对纺织品和PCM蓄热能力，很明显，采用石蜡PCM的纺织品热存储能力可以大幅度提高[ 6 ]。
完全熔化过程中，PCM的温度以及周边地区几乎保持不变。相同的结晶过程是真实的；整个结晶过程中的相变温度变化不显著。从固体到液体和或反之的PCM相变过程示于图1。大型换热熔化过程以及结晶过程中没有明显的温度变化，在实际应用中的作为一个源储热材料。当温度升高时，相变微胶囊吸收的热量和液化相变材料蓄能量。当温度下降时，相变微胶囊释放储存的热能，因此PCM凝固[ 10 ]
图1相变过程示意图。
对–十六烷二元体系的相图（图2）已经被他等人进行了深入的探讨。[ 11 ][ 12 ]。因为纯十四（c14h30）和十六烷（C16H34）固体具有相似的结构（三斜晶体），二进制包含形成固溶体的所有条件[12}。相图（平衡图）描述––浓度温度压力关系在平衡的化学系统和用于可视化这些关系的变化与温度和化学成分。上面的曲线（Tminus;西（L））图2是熔点或凝固点的曲线。下部曲线（Tminus;西（S））是固相线或熔点曲线。任何系统的液相线以上一点表示全部熔化，和任何点低于固相线表示完全凝固质量。通过在液相线和固相线的曲线表明，液体和固体溶液的平衡混合物所包围的区域内的点。这条曲线的方法和接触点米，这是最小的熔点。相变发生在一个给定的混合物的冷却是由他人所描述的。[ 11 ][ 12 ]。直接从相图中为每一个均匀的液体得到的相变温度范围。在相转变温度范围内的混合物的存储密度，对应于一定的温度范围内，可以通过使用“杠杆原理”从相图。混合物的相转变温度范围是混合物的组合物的功能，在任何温度范围内的存储密度是组合物和温度变化的功能。
图2 对c14h30和十六烷二元混合物系统的液体–固相图（从[ 11 ]许可转载）。
3.相变材料（PCM）的工作原理
热能储存是热能利用的一项重要技术[13]。对于热能储存有四种选择，即，热利用，潜热利用，可逆化学热利用，稀释热利用。材料有四个状态，即，固体，液体，气体和等离子体。当一种材料从一种状态转换到另一种状态时，这个过程称为相变。有四种相转变，如（一）固体到液体（二）液体对气体和（三）固体到固体。热在相变过程中吸收或释放。这种吸收或释放的热量称为潜热。PCM可以转换从固体到液体或从液体到固体的状态是最常用的相变储热材料，适用于储热调温纺织品和服装制造。
热传递的模式强烈地依赖于在热传输过程中的物质的相位[14]。对于固体物质，传导是主要的传热方式。液体对流换热占主导地位，蒸汽对流和辐射传热是主要方式。对于纺织品的应用，我们将只考虑从固体到液体的相变，反之亦然。因此，我们将讨论固体的液相变化，反之亦然。从固体到液体的相变发生将在加热后PCM融化后达成。典型的差示扫描量热法（DSC）的PCM熔化加热曲线示意图如图3所示。这种相变过程中的相变，从周围吸收大量的潜热。PCM可能多次转换固相和液相之间利用潜热融合吸收，在这样的阶段转换储存和释放热量或低温。
图3.DSC升温曲线图的PCM。
相变材料等并不是新的东西[ 15 ]，[ 16 ]。他们已经存在于自然界中的各种形态中。一种PCM最常见的例子是0°C的水，明确了它的变化，从液体到固体（冰）[ 6 ][ 16 ]。当水被加热到100°C的温度下，一个相变也会发生变化，此时它就变成蒸汽。为了区别与普通加热过程中吸收的热量于实际相变过程中的相变材料吸收热量；可用水比较。当冰融化成水吸收大约335焦耳/公斤潜热。当水被进一步加热，升高一摄氏度吸热4焦耳每公斤。
4.不同类型的相变材料
相变材料在理论上能够改变几乎恒定的温度状态，因此储存大量的能量[ 17 ]。利用相变材（PCM的热能储存（TES）熔点从15到35°C是在纺织领域这类材料的最有效利用率的这一个想法。众所周知。除了水，500以上的天然和合成的复合相变储热材料[ 18 ]。这些材料在相变温度范围和它们的储热容量上有不同的区别。对于PCM与热力系统高效冷却系统的性能要求（TES）的具体应用[ 19 ]在纺织领域的应优点如下：
（一） 熔点在15和35°之间；
（二） 高温融合；
（三） 熔点和凝固点的温度差较小
（四） 对环境无害；
（五） 低毒性；
（六） 不易燃
（七） 熔化和凝固重复的稳定性；
（九） 热传导率大，有效传热；
（九） 易用性的可用性
（十） 价格低
相变材料的宽谱可用不同的储热容量和相变温度。一个简单而经典的相变材料的例子是石蜡，蜡引线从15到40mu;m的大小，可微胶囊然后集成到纤维或用作涂料。一些相变材料将在下面的段落描述。
4.1.水合无机盐
水合无机盐的水分子，可用于蓄热调温纺织品和服装制造，通常有一个热吸收和释放约20–40°C.的物理和化学性质，芒硝盐温度区间有非常强的储热能力：盐有一个方便的熔化温度（32.4°C）和熔融254焦耳/公斤给予高能量在其熔点[ 20 ]潜热。在热力系统（TES），用硫酸钠水溶液为PCM，产生的热量通过以下十水合物晶体和水溶液之间的化学反应吸收[ 21 ]：
Na2SO4 10H2OhArr;Na2SO4sdot;10H2O
一个结晶过程的模式，它通过冷却TES胶囊连续，差异显著依赖于初始温度高于或低于32°C.当胶囊冷却温度高于32°C降到温度低于32°C，晶体的成核过程中出现在过饱和溶液中。当初始温度低于32°C时，热处理过程被解称作晶体生长现象，晶体生长在溶液中的晶体或小晶体。水合盐用于储能由于其高容量存储密度的有吸引力的材料（sim;350 MJ/m3），相对高的热导率（sim;0.5 W / m°C）和适度的成本相比，石蜡。芒硝（Na2SO4·H2O），其中对含有44%硫酸钠和56%水的重量进行了研究[ 22 ][ 23 ]。
锰（II）硝酸（Mn（NO3）2·6H2O）有125.9焦耳/公斤的熔化热。它的密度是近1.8times;103公斤/立方米，这意味着有每226.6times;103 kJ/m3单位体积潜热。它包含了68%个水，熔点为25.8，熔点和凝固点之间的温度差被认为是相当大的。此外，Mn（NO3）2·6H2O的特点是通用性、毒性低、非易燃性[ 19 ]。
4.2.线性长链碳氢化合物
疏水性线性烃是由石油精炼产品通式CnH2n＋2。这些都是无毒，价格低廉，有广泛的原料来源，适于不同的使用，因为其碳原子（图4）它们有广泛的熔化温度。熔化与N = 13–18在从5.5到61.4minus;°C [ 24 ]范围烃结晶。通过选择碳氢化合物的碳原子数，可以针对特定的应用程序的相转变特定温度。从图4，我们可以看到二十烷有熔化温度大约是人体温度。他们在热储存的制造中和热调节纺织品和服装中最重要的相变材料。性能的体温会取决于吸热和散热的碳氢化合物。某些线性碳氢化合物的热吸附和热辐射在表1中列出。
图4 石蜡烃及其熔融温度[ 24 ]
表1。
吸附和发射的潜热[ 24 ]，[ 25 ]和[ 26 ]
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无碳原子的碳氢化合物【24】 |
潜在的吸附热（Delta;H）J / g |
发射潜热（minus;Delta;H）J / g |
结晶温度（Tc，°C ） |
参考文献 |
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正十六烷 |
16 |
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