蓄热调温相变材料微胶囊中相变材料的选择

蓄热调温相变材料微胶囊中相变材料的选择王丹丹安徽职业技术学院纺织系染整1121摘要：微胶囊相变材料是将微胶囊技术应用于相变材料而形成的新型复合相变材料，其研究发展已经触及各个领域。文中介绍了相变材料概念及其特性，包括相变材料微胶囊的制备方法与技术，以及在纺织中相变材料微胶囊的选择，展望了相变材料在纺织中的应用前景。关键词：相变材料；微胶囊；纺织服装一、相变材料微胶囊的概念及研究进展1、相变材料微胶囊的研究背景及概念随着社会经济的发展，人类对能源的需求日益增加。为此，人们开始寻找绿色可再生能源去取代地球上日趋匮乏的资源，例如太阳能、风能、地热能等。然而，这些能源的间歇性给人类的利用带来极大不便，如何将能源进行很好的储存就显得尤为重要。目前在热能领域，尽管多数采用显热方式进行储能，但其储热量小，放热不恒温、储热装置庞大等缺点已经影响了其进一步的应用。是否能够找到一种储热量大，且吸/放热量时其温度保持不变的材料呢？潜热储能方式的发现恰好解决了显热储能的缺憾。在自然界，物质的状态普遍以固态、液态、气态存在，对于物质的每一种状态都可以称作一种“相态”。当物质与外界环境进行热量交换，并达到某一“特殊温度点”时，其物理状态就会从一种相态转变为另一种相态。这种相态的转变就是“相变”，相变时的特殊温度点就是“相变温度”。而能够发生相转变的材料，称之为“相变材料（PhaseChangeMaterials）”。在物体从固态到液态这两种相变过程中，所储存或释放的能量也称为“相变潜热”。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。无机相变材料是一种能够利用自然界能量进行能量储存和温度控制的功能性材料。相比于其它能量储存方式（例如显然储能），相变蓄热材料具有以下特点：相变材料的单位质量(体积)的蓄热密度大；相变过程保持恒温；化学稳定性好；安全性高。以上这些优点也为相变材料的应用推广起到了潜在的作用。2、无机相变材料的研究进展随着科学技术的快速发展，能源逐渐成为人类赖以生存的基础，但是能源的供应与需求都有较强的时间性，为了提高能源利用效率、保护环境、解决热能供给与需求失配的矛盾，在太阳能利用，电力的“移峰填谷”，废热回收利用以及建筑与空调的节能中，相变蓄热技术已正成为世界范围内研究的热点。国外对于相变材料的研究要追溯到20世纪60年代。当时，美国宇航和太空总署(NASA)为了保护宇宙飞船内的精密仪器和宇航员不受外界剧烈变化的温度的影响，开始重视对相变材料的研究工作。此后，美国空军(USAF)、海军(NAVY)、能源部(DOE)、农业部(DOA)和美国国家基金(NSF)陆续多次资助该方面的研究项目。特别受80年代能源危机的影响，相变储热(LTES)的基础理论和应用技术研究在发达国家(如美国、加拿大、日本、德国等)迅速崛起并得到不断发展。在相变材料的研究上，最初的研究主要集中于单一的固-液相变材料，例如无机和有机相变材料，其中无机相变材料的储热密度大，导热性能好，廉价易得，使其更易推广应用。但是，在相变时产生的液体的泄露也限制了其实际的应用。有机相变材料存在着成本高，导热性能差等缺点，同样也受到了应用限制。目前，对于相变材料的研究主要集中于解决相变材料本身的这些缺陷。为了防止材料泄露以及提高导热速度，各国科学家采取了不同的方法。例如，将相变材料与大分子进行接枝发展成固-固相变材料，由于大分子的熔点高于相变材料，使得其变成液体时也不会发生流动性的泄露。利用高分子聚合技术将相变材料做成微米或者纳米级的胶囊，既提高了导热速度，又防止了泄露。尤其是微胶囊技术，是一个研究热点之一。当前，微胶囊相变材料的研究多数集中在其制备方法、囊芯和囊壁的选择以及成本控制。近年来，对相变贮能的理论和应用研究发展更是非常之快，使其已成为涉及物理化学、材料科学、太阳能、传热学、工程热力学、相图理论、量热技术及热分析等学科领域的新的学科方向。国外已经将相变材料的实际应用推广到许多领域中，例如建筑节能领域（提供相变材料并同时提供设计一体化）、太阳能利用、余热/废热利用、电力调峰、日常生活应用及电子元器件热保护、纺织服装、农业上的应用等。国内的实际应用推广还较少，主要集中于无机相变材料的延伸产品，例如：市场上流行的冰垫，消防用相变材料衣服。有关相变潜热蓄能系统(LHTES)的优化设计和强化传热的研究、附加价值高的产品还有待发展。总之，合理的选择将最终决定相变材料的储能效果和应用前景，在选择和应用相变材料时可将以上标准作为依据，这对相变材料的开发以及相变储能技术的发展是十分有益的。二、微胶囊相变材料的制备方法1、界面聚合法界面聚合法制备MCPCM,首先要将两种含有双(多)官能团的单体分别溶解在两种不相混溶的PCM乳化体系中,通常采用水2有机溶剂乳化体系。在聚合反应时两种单体分别从分散相(PCM乳化液滴)和连续相向其界面移动并迅速在界面上聚合,生成的聚合物膜将PCM包覆形成微胶囊。在乳化分散过程中,要根据PCM的溶解性能选择水相和有机相的相对比例,数量少的一种一般作分散相,数量多的作连续相,PCM处于分散相乳化液滴中。在乳液体系中通过界面聚合法合成了以正十八烷为核、聚脲为壳的微胶囊。2、原位聚合法原位聚合法制备MCPCM,成壳单体及催化剂全部位于PCM乳化液滴的内部或外部,故聚合反应在液滴表面发生,生成的聚合物膜可覆盖液滴全部表面。其前提是:单体是可溶的,而其聚合物是不可溶的。在聚合反应前,PCM必须被乳化分散成液滴,并在形成的乳化体系中以分散相存在。此时成壳材料可以是水溶性或油溶性单体,可以是几种单体的混合物,也可以是水溶性低分子量聚合物或预聚物。三、纺织服装中相变材料微胶囊的选择除冰(水)之外,已知的天然和合成的相变材料超过500种。并不是每一种相变材料都可以应用在纺织服装中,相变材料在纺织服装中的应用应该具有以下的特点：(1)相变的温度接近人体的体温,相变温度一般应在30~35之间。(2)热容量较大。即不但要有较高的相变潜热,而且还要求以单位质量和单位体积计算的相变潜热都足够大。(3)必须在恒定的温度下融化及固化,即必须是可逆相变,不发生过冷的现象(或过冷度很小),性能稳定。(4)无毒,对人体无腐蚀。(5)较快的结晶速度和晶体生长速度。(6)体积膨胀率较小。(7)密度较大。(8)原料易购、价格便宜。(9)使用期间耐磨性好。其中相变温度、原料的价格、来源、有无毒性是选择的关键因素。四、相变材料微胶囊在纺织中的应用1、座椅上的应用相变材料微胶囊应用在座椅上,可以改善座椅的热舒适性,增强人们的愉悦感。人们坐在座椅上,从身体通过座位与外界交换的热湿量明显减少,导致微环境气候的温度和湿度迅速升高,从而使人体的皮肤温度和皮肤的润湿度加大,导致人体不舒适。含相变材料微胶囊的座椅,可以吸收多余的热量,以防止温度的升高,使微环境保持恒定的舒适的温度,改善座椅的热舒适性。2、医疗工作服2003年春天的SARS病毒肆虐神州大地,给我国造成了严重的灾难。医护人员穿着厚厚的、密闭的隔离服奋勇抗战在第一线。由于强度高、体力消耗大,很容易中暑。清华大学利用相变材料TH-27制成了医用降温防护服[8],穿在医护人员的隔离服内,与人体紧贴在一起。医用降温防护服设计成类似防弹衣的铠甲形状,上面布置有多个用于装降温袋的口袋,且每个口袋都有封口,使用时将降温袋装入降温服的口袋里,利用相变潜热进行降温,保护了战斗在抗击SARS第一线的医护人员的身体健康。3、运动服装相变材料微胶囊也可以应用在运动服装上。运动员在进行剧烈的运动时,会产生大量的热量,体内的微气候的温度急剧升高,从而人体的温度也急剧升高。这时运动员如果没有得到及时的降温、休息,就会感觉到头晕、浑身乏力,甚至休克。在运动服装上应用相变材料微胶囊,可以利用相变材料微胶囊吸收存储和重新释放身体的热量,避免身体过热与发冷,使身体始终保持较舒适的状态。3、在手套、鞋垫、帽等服饰中的应用相变材料微胶囊还可以应用在手套、鞋垫、帽等服饰上。根据人体头部、手部、脚部过热与发冷的情况,相变材料可以吸收存储和重新释放身体的热量,使人体的微环境的温度恒定,从而使人体与外界交换的热量保持平衡,使头、手、脚始终都处在一个温度比较适宜的环境中,让人们感到舒适,保护人体的健康。五、结语相变材料微胶囊具有良好的温度调控能力,应用在纺织服装中,可以增加服用的舒适性,使你时刻感觉到舒适,是一种智能型功能性的产品。相变材料微胶囊纺织服装的使用要具有一定的温度条件。只有在温度变化频繁的环境中,才更能够体现出它的作用。否则,要利用一定的措施,如像医用降温服那样放在冰箱中,以释放热量,来保持它的温度调控能力。