Les fibres et textiles à régulation thermique intelligente sont des produits de haute technologie qui se sont développés rapidement dans les années 90 et sont pleins de vitalité. Il peut non seulement améliorer le confort des vêtements, mais a également une forte valeur ajoutée et peut procurer des avantages élevés. Avec l'introduction continue de hautes et nouvelles technologies dans ce domaine, les exigences des gens's en matière de vêtements et de fonctionnalités haut de gamme ont augmenté. Le développement d'un nouveau type de tissu de fibres de régulation de température intelligent à changement de phase a de bonnes perspectives de développement et de larges perspectives d'application.
L'histoire du développement de la fibre de régulation de température intelligente à changement de phase
La fibre à changement de phase est une sorte de fibre fonctionnelle de stockage de chaleur et de régulation de la température développée en utilisant les caractéristiques de libération ou d'absorption de chaleur latente et de maintien de la température constante pendant le changement de phase du matériau.
La recherche sur la fibre de régulation de température intelligente à changement de phase est née aux États-Unis dans les années 1980. La première fibre de régulation de température intelligente à base de fibres acryliques Outlast développée par le projet de recherche de la National Aeronautics and Space Administration a été obtenue en ajoutant des microcapsules recouvertes d'un matériau à changement de phase d'hydrocarbure de paraffine à la solution de filage de fibres acryliques. Les vestes développées par le plan mensuel pour les vêtements des astronautes et la protection des instruments de précision dans les expériences spatiales ont été développées avec succès en 1988 et utilisées pour un usage commercial pour la première fois en 1994. En 1997, l'Agence spatiale américaine a créé Gateway, une société spécialisée dans le développement et recherche de fibres de régulation de température intelligentes. La fibre à base de fibres acryliques Outlast a été enregistrée comme outlast, qui a été développée pour les vêtements généraux et a été vendue sur les marchés américain et européen. Depuis lors, la société allemande Kelheim Fiber Company et la société Outlast ont coopéré pour développer la fibre de viscose Outlast. En effet, il est obtenu en ajoutant des microcapsules de matériau à changement de phase à la solution de filage de fibre de viscose. Son effet d'isolation thermique atteint 42,5% et a été breveté. .
À l'heure actuelle, les matériaux à changement de phase sont utilisés pour le développement et l'application de fibres de contrôle de température intelligent à changement de phase. Les États-Unis et la Suisse sont plus matures à l'étranger. Les fibres de contrôle de température qu'elles produisent sont principalement des technologies de filage de microcapsules ; L'Europe et le Japon ont également des recherches dans ce domaine. . L'Allemagne a été la première à développer avec succès des matériaux de finition de microcapsules de stockage de chaleur à base de sulfate de sodium ; plus tard, elle a développé des tissus remplis de solvants et de gaz inertes en fibres creuses. La technologie représentative du Japon's est le revêtement en suspension de microcapsules développé par Daiwa Chemical Industry.
Type de régulation de température du tissu fibreux
(1) Fibre de régulation de température unidirectionnelle
Ce type de fibre a une seule fonction de régulation de température, qui peut augmenter ou diminuer la température. L'un est la fibre chauffante EKS et Softwarm produite par Japan Toyobo Co., Ltd.; l'autre est en fibre de lin et fibre de jade avec fonction de refroidissement. Parce qu'elles n'ont qu'un effet de régulation de température à sens unique, ces fibres présentent des défauts évidents. Par conséquent, lorsque la direction du changement de température environnementale est opposée à la direction du réglage de la température, cela ne fonctionnera pas bien et entraînera même des conséquences néfastes.
(2) fibre de régulation de température bidirectionnelle
Les matériaux à changement de phase (matériaux à changement de phase, appelés PCM) qui peuvent ajuster indépendamment les environnements froids et chauds, ont des fonctions de réglage de la température et d'adaptabilité dans les deux sens. Au cours de la production et du traitement, les MCP sont ajoutés à la matrice de fibres sous une certaine forme technologique. Lorsque le changement de phase est atteint à température, il peut activement empêcher les fluctuations de température excessives dans les vêtements grâce à un chauffage discontinu. L'énergie du processus de changement de phase est stockée dans le matériau à changement de phase pour augmenter sa capacité calorifique ; lorsque la température ambiante baisse, il libère intelligemment son énergie stockée et peut être utilisé à plusieurs reprises dans un environnement d'oscillation de température, il est donc appelé"Smart thermostat fiber transformation (STFT)".
STFT's mécanisme de changement de phase et principe de régulation de la température
STFT est aussi appelé fibre de climatisation. Le mécanisme de changement de phase de STFT fait référence au fait que dans certaines conditions, lorsque la température de certaines substances est fondamentalement inchangée et que l'état de phase change, la chaleur latente de changement de phase est beaucoup plus grande que la chaleur sensible de changement de phase. La fibre à ajustement intelligent de la température à changement de phase est un nouveau type de fibre qui utilise le changement de phase du matériau pour libérer ou absorber la chaleur latente afin de maintenir la température constante. Le changement de phase se manifeste principalement par la transition entre le liquide et le solide, ou le changement de la phase de structure cristal-cristal, cristal-liquide et d'agrégation moléculaire dans le solide, et l'énergie thermique maintient la température.
(1) Mécanisme de transition de phase de STFT
La différence entre le tissu en fibres à régulation de température intelligent à changement de phase et le tissu en fibres traditionnel réside dans le mécanisme différent de conservation de la chaleur. Les vêtements d'isolation thermique traditionnels utilisent principalement des méthodes d'isolation thermique pour éviter une réduction excessive de la température de la peau, tandis que le mécanisme d'isolation thermique des fibres à changement de phase est insensible à la déformation, à l'humidité et à la pression de l'air, et ne semble pas trop étouffant ou lourd. Il peut fournir au corps humain un microclimat confortable. alentours. La raison en est que les PCM assurent une régulation thermique et non une isolation thermique. La réalisation de ce mécanisme de changement de phase et mécanisme d'ajustement de la température est que dans un environnement thermique, lorsque la température de fusion du milieu à changement de phase est atteinte, le cristal du milieu à changement de phase change, et sa chaîne moléculaire surmonte la force intermoléculaire, le la distance augmente, et la fonte du cristal, la fibre absorbe la chaleur ; lorsque la fibre entre dans un milieu froid depuis un milieu chaud, lorsque la température est inférieure au point de cristallisation du milieu à changement de phase, les chaînes moléculaires du milieu à changement de phase sont régulièrement agencées pour former des cristaux, et la fibre dégage de la chaleur ; stockage d'énergie à changement de phase De cette manière, la fibre atteint l'objectif de régulation de la température en absorbant et en libérant de la chaleur.
(2) Le principe de régulation de température de STFT
STFT provient du mécanisme de changement de phase des PCM dans le tissu de fibres. Le processus d'absorption et de dégagement de chaleur est automatique, réversible et illimité. Les avantages de son principe de régulation de température sont : un contrôle de la température pour équilibrer la température et les besoins en chaleur adaptés au confort tout au long de la journée ; bonne résistance à la température, fournir un effet de refroidissement; absorber l'excès de chaleur corporelle et la libérer lorsque la température de la surface du corps diminue, empêchant ainsi la surface du corps d'être trop froide.
Par conséquent, les textiles en fibres contenant des MCP maintiennent la constance de la température corporelle entre le corps humain et l'environnement extérieur, que la température de l'environnement extérieur augmente ou diminue, créant ainsi un"environnement microclimatique" pour le corps humain qui n'est ni froid ni chaud.
(3) La norme de mesure de la capacité de régulation de la température STFT
La fonction de réglage de la température de la fibre de contrôle intelligent de la température est exprimée par le"Adaptive Comfort Rating" (Adaptive Comfort Rating), qui est utilisée pour mesurer la capacité du produit&à absorber, stocker et libérer de l'énergie, le cas échéant. Plus le niveau ACR du produit est élevé, plus il est confortable. La valeur ACR des fibres traditionnelles est proche de zéro et il leur est difficile de stocker la chaleur.
La sélection de réglage de la température et les performances de type des matériaux PCM
La transition de phase fait référence au phénomène selon lequel l'état de phase de certaines substances change à une certaine température. L'énergie absorbée ou libérée pendant le changement de phase est appelée chaleur de changement de phase (également appelée chaleur latente de changement de phase), et la quantité de chaleur absorbée et libérée lors des changements de température du matériau est appelée chaleur sensible. Par rapport à la chaleur sensible, la chaleur à changement de phase est beaucoup plus importante. Par conséquent, la sélection de matériaux à changement de phase est la première étape pour préparer des fibres et des textiles intelligents régulant la température.
(1) Sélection de matériaux de contrôle de température à changement de phase
Compte tenu des exigences particulières de l'application des fibres et du traitement des tissus, il n'y a pas beaucoup de matériaux de contrôle de température à changement de phase qui peuvent être utilisés pour les fibres des tissus. Tout d'abord, la température de cristallisation (température de maintien) du matériau à changement de phase doit être appropriée et adaptée au domaine d'application. En prenant la fibre de stockage d'énergie à changement de phase comme exemple, la plupart des fibres de stockage d'énergie à changement de phase rapportées jusqu'à présent ont l'inconvénient d'une température de cristallisation trop élevée, et elles ne peuvent pas être bien appliquées dans le domaine des fibres vestimentaires ; Deuxièmement, la capacité de traitement de la fibre de stockage d'énergie à changement de phase, les matériaux à changement de phase sont pour la plupart des oligomères, avec un poids moléculaire relativement faible, et leur stabilité chimique, stabilité thermique, filabilité après avoir été combinés avec la matrice fibreuse, etc. doivent être pris en compte.
Principes de criblage des matériaux fibreux à changement de phase adaptés aux textiles : (1) Densité de stockage d'énergie élevée. Le matériau à changement de phase doit avoir un volume unitaire plus élevé, une chaleur latente de changement de phase par unité de masse plus élevée et une capacité thermique spécifique plus grande. (2) Température de transition de phase. Le point de fusion doit correspondre à l'utilisation de textiles et de vêtements, et la plage de température de changement de phase compatible avec la température d'utilisation doit être sélectionnée en fonction des différents climats et utilisations. (3) Sûr et fiable. Les propriétés chimiques et physiques des matériaux à changement de phase sont stables, non corrosives, inoffensives, non toxiques et ininflammables. (4) Conductivité thermique. Le matériau à changement de phase doit avoir une grande conductivité thermique appropriée, une sensibilité élevée et être capable d'absorber et de libérer de la chaleur rapidement. (5) Processus de transition de phase. Le processus de changement de phase doit être complètement réversible et uniquement lié à la température. (6) Le volume change. Lorsque la phase change, le changement de volume est faible. (7) Pression de changement de phase. La pression de vapeur correspondante à la température de travail du matériau à changement de phase doit être relativement faible. (8) Stabilité de transition de phase. Après des changements de phase répétés, les performances de stockage de chaleur diminuent peu. (9) Densité de transition de phase. La densité des deux phases du matériau à changement de phase doit être la plus grande possible, de manière à réduire le coût du conteneur. (10) Surfusion à changement de phase. Petite surfusion et taux de croissance cristalline élevé. (11) Économiquement faisable.
Dans le processus de développement actuel, il est très difficile de trouver des matériaux à changement de phase qui remplissent ces conditions idéales. Par conséquent, les gens considèrent souvent d'abord la température de transition de phase appropriée et la chaleur de transition de phase importante, puis considèrent divers facteurs complets qui affectent la recherche et les applications.
(2) Types de matériaux de contrôle de température à changement de phase
Jusqu'à présent, il existe plus de 500 matériaux de thermorégulation à changement de phase (PCM) de type unique qui ont été développés et appliqués, ainsi que des matériaux de thermorégulation à changement de phase composites et qualitatifs avec des caractéristiques de changement de phase uniques développées et appliquées grâce à la technologie composite. Les types de matériaux de régulation de température à changement de phase actuellement développés et appliqués sont : Différentes classifications selon la température de stockage de chaleur des matériaux : Selon la plage de température de changement de phase, les matériaux de régulation de température à changement de phase peuvent être divisés en trois principaux matériaux à changement de phase : haute température, moyenne température et basse température. Les matériaux à changement de phase à haute température se réfèrent principalement à certains sels fondus et matériaux d'alliage métallique; les matériaux à changement de phase à température moyenne se réfèrent principalement à certains sels cristallins hydratés, matières organiques et polymères ; les matériaux à changement de phase à basse température se réfèrent principalement à des matériaux tels que la glace et l'hydrogel. Différentes classifications selon la forme de changement de phase du matériau : les matériaux de contrôle de la température à changement de phase peuvent être divisés en quatre catégories : changement de phase solide-solide, changement de phase solide-liquide, changement de phase solide-gaz et matériau à changement de phase liquide-gaz. Parmi eux, le matériau de stockage de chaleur à changement de phase solide-solide ne subit pas de changement de phase, mais la forme cristalline du matériau à changement de phase change. Bien entendu, la chaleur est également absorbée et libérée pendant le processus de changement de forme cristalline. ③Classé selon la composition chimique du matériau : matériau à changement de phase inorganique (I-PCM), matériau à changement de phase organique (O-PCM), matériau à changement de phase composite (C-PCM) et matériau à changement de phase qualitatif (Q-PCM).
Ce qui suit est une description des matériaux à changement de phase par classification de composition chimique :
A. Matériaux de régulation de température à changement de phase inorganique : Les matériaux à changement de phase inorganiques comprennent principalement des substances inorganiques telles que le sel cristallin hydraté, le sel fondu et l'alliage métallique. Les plus typiques d'entre eux sont les sels hydratés cristallins, qui ont une grande chaleur de fusion et un point de fusion fixe. Son essence fait référence à la température à laquelle l'eau cristalline est retirée, et l'eau cristalline retirée peut dissoudre le sel et absorber la chaleur. Lorsque la température est abaissée, le processus inverse se produit, absorbant l'eau cristalline et exothermique. Le mécanisme de transition de phase s'exprime comme suit : AB·mH2O→AB+mH2O+Q, AB·mH2O→AB·pH2O+(mp)H2O+Q, où m et p sont le nombre d'eau cristalline et Q est la chaleur de fusion.
Les substances les plus couramment utilisées de ce type sont les hydrates d'halogénures de métaux alcalins et alcalino-terreux, sulfates, phosphates, nitrates, acétates et carbonates, et les plus représentatifs sont : Na2SO4·10H2O , Mg(NO3)2·6H2O, MgCl2+ 6H2O, CaCl2·6H2O, CaBr2·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O, NH4Al(SO4)2·12H2O, Na2S2O3·5H2O, etc.
B. Matériaux de contrôle de température à changement de phase organique
De tels matériaux à changement de phase sont couramment utilisés : paraffine, acides carboxyliques, hydrocarbures aliphatiques supérieurs, acides gras ou leurs esters ou sels, alcools, hydrocarbures aromatiques, cétones aromatiques, amides, fréons et acides polyhydroxycarboniques, etc. De plus, les macromolécules comprennent : les polyoléfines, les polypolyols, les polyénols, les acides polyénoïques, les polyamides et d'autres macromolécules.
C. Matériaux composites de contrôle de température à changement de phase
Les matériaux composites de contrôle de la température à changement de phase désignent principalement des systèmes mixtes généraux ou des systèmes eutectiques de composés binaires ou multiples ayant des propriétés similaires, des matériaux à changement de phase solide-liquide de forme stable et des matériaux à changement de phase composites inorganiques et organiques. Les matériaux composites à changement de phase ont généralement deux formes : l'une est un mélange de deux matériaux à changement de phase ; l'autre est un matériau à changement de phase façonné. Bien que le mélange des deux matériaux à changement de phase soit simple à fabriquer, il présente les inconvénients des matériaux à changement de phase généraux, tels que la nécessité d'une encapsulation, qui est sujette aux fuites et dangereuse à utiliser.
D. Matériaux de contrôle de température à changement de phase qualitatif
Ce type de matériau de contrôle de température à changement de phase est un matériau de contrôle de température mixte composé de matériau à changement de phase et de polymère. Le matériau à changement de phase est généralement de l'acide organique de paraffine, etc. Le matériau polymère est généralement du HDPE (polyéthylène haute densité, qui a un point de fusion plus élevé, comme support), ce dernier est utilisé comme support et matériau d'étanchéité pour contenir la phase changer de matière dans chacun de ses micro-espaces. Par conséquent, lorsque le matériau à changement de phase subit un changement de phase, le matériau de contrôle de température à changement de phase qualitatif peut conserver une certaine forme et aucun matériau à changement de phase ne fuira.
Par rapport aux matériaux à changement de phase ordinaires, la régulation qualitative de la température à changement de phase ne nécessite pas d'équipement d'emballage, ce qui réduit les coûts d'emballage et les difficultés d'emballage, évite le risque de fuite de matériau, augmente la sécurité d'utilisation du matériau et réduit la résistance au transfert de chaleur du conteneur , Ce qui est propice à l'échange thermique entre le matériau à changement de phase et le fluide caloporteur.
(3) Matériaux de régulation de température à changement de phase utilisés pour les fibres textiles
Étant donné que le corps principal de cet article explique que le tissu en fibres PCM résout principalement la température et l'énergie de changement de phase que le corps humain est confortable à porter, les matériaux à changement de phase (PCM) applicables sont donc très limités. À l'heure actuelle, les principaux MCP développés à l'échelle internationale sont classés comme suit selon leur type, leur composition et leurs performances :
①Matériau à changement de phase inorganique (I-PCM)
Composition : tel que le sel hydraté Na2HPO4·12H2O, CaCl2·6H2O, Na2SO4·10H2O, etc. Ses performances : température inférieure à 35℃ ; énergie 120J/g～300J/g; marque cyclique {{14}} ; marque sensible ; les caractéristiques sont un prix bas, une densité de stockage de chaleur élevée, une grande conductivité thermique; le problème est la concentration d'énergie et le sous-refroidissement Grand, facile à séparer, faible performance de stockage de chaleur.
②Matériaux à changement de phase organique (O-PCM)
A. Composition : hydrocarbure de paraffine, graisse organique CnH2n+2, CnH2nO2, etc. Sa performance : température 18℃～40℃ ; énergie 200J/g～300J/g; marque de cyclicité +++; marque de réactivité ; la caractéristique est que la chaleur de fusion est grande, mais elle est froide et ne précipite pas ; le problème est que la conductivité thermique est faible, la densité est faible.
B. Composition : Polyols : PG, NPG, PEG, etc. Ses performances : température 24℃～40℃ ; énergie 100J/g～300J/g; marque de cycle ++++; marque sensible ; les caractéristiques sont une petite déformation et un sous-refroidissement, une efficacité thermique élevée, une longue durée de vie; le problème est que la température élevée est un cristal en plastique, une perte facile à volatile.
③Matériau à changement de phase composite (C-PCM)
Composition : inorganique, composite organique, matériau composite de stockage d'énergie (CESM), etc. Ses performances : température -140℃～670℃ ; énergie 100J/g～500J/g; marquage cyclique ++++; marquage réactif ++++; caractéristiques de densité de stockage d'énergie élevée, transfert de chaleur rapide, traitement stable et facile.
(4) Méthodes d'essai pour la stabilité de la régulation de la température des matériaux à changement de phase
La stabilité de la régulation de la température est la principale condition préalable à l'utilisation de matériaux à changement de phase dans les textiles en fibres, en particulier la stabilité de la régulation de la température des matériaux composites à changement de phase (C-PCM) et des matériaux à changement de phase qualitatif (Q-PCM). Un changement de phase est introduit ci-dessous. La méthode d'essai pour la stabilité des matériaux composites thermorégulateurs comprend les procédures suivantes :
Préparer les échantillons : disperser le poids standard du matériau composite régulateur de température à changement de phase uniformément dans la zone d'essai du matériau composite régulateur de température à changement de phase au centre du papier filtre standard pour préparer l'échantillon à tester ;
Cuisez l'échantillon : déplacez l'échantillon à tester dans le four et faites-le cuire à une température constante de 40℃～50℃ pendant 5 à 12 heures, puis retirez l'échantillon d'essai ;
Observation de l'échantillon : observez l'exsudation du composant du fluide de travail régulateur de température à changement de phase à l'extérieur de la zone d'essai du matériau composite régulateur de température à changement de phase sur le papier filtre, et mesurez les diamètres maximum et minimum du cercle d'exsudation formé à l'extérieur la zone d'essai. Le diamètre moyen du cercle d'exsudation est calculé par le diamètre maximum et le diamètre minimum du cercle d'exsudation.