相變材料應(yīng)用于夏micai中的優(yōu)化設(shè)計(jì)

第一章緒論1.1引言micai服在wjbd日常訓(xùn)練、執(zhí)勤、搶險(xiǎn)及維穩(wěn)處突中發(fā)揮著重要作用。但是，wj官兵在執(zhí)行任務(wù)時(shí)經(jīng)常會(huì)面臨各種復(fù)雜的天氣環(huán)境，因此，如何提高micai服尤其是夏micai服的舒適度，對(duì)保持戰(zhàn)斗力具有重要的意義。在高溫環(huán)境下，夏micai服如果不加處理，散熱效果不佳，往往使戰(zhàn)士戰(zhàn)斗力下降。尤其隨著氣候變暖，夏天越來(lái)越熱，武漢、重慶、上海、廣州等大城市夏季室外地面溫度可高達(dá)50多度，對(duì)wj官兵執(zhí)勤站哨是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。由于許多哨位無(wú)法安裝空調(diào)，且戰(zhàn)士們是全副武裝，極易汗流浹背，極大地影響執(zhí)勤工作效率。因此，如何在不改變著裝要求的前提下，通過(guò)對(duì)夏季micai服進(jìn)行改性設(shè)計(jì)，使之具有自動(dòng)降溫的性能，對(duì)改善戰(zhàn)士執(zhí)勤環(huán)境，提高執(zhí)勤效率具有重要的意義?；谏鲜霰尘皸l件，對(duì)夏micai服進(jìn)行改性?xún)?yōu)化的研究就顯得變得意義非凡了。1.2相變材料相變材料(PCM-PhaseChangeMaterial)，又被稱(chēng)為潛熱儲(chǔ)能材料，是指隨外界溫度變化而改變形態(tài)同時(shí)儲(chǔ)存或者釋放能量的物質(zhì)。相變材料的這種特性，使之在智能服裝調(diào)溫、節(jié)能建材、溫室種植、醫(yī)藥制品及食品的冷藏和運(yùn)輸、工業(yè)余熱儲(chǔ)存利用等諸多領(lǐng)域均具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。相變材料在服裝上的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代的美國(guó)，Hansen在專(zhuān)利中提及以含CO2的溶液添加到中空纖維的辦法，通過(guò)CO2等氣體發(fā)生氣-液反應(yīng)實(shí)現(xiàn)保溫的目的[1]。20世紀(jì)80年代以后，研究人員開(kāi)始探索水合鹽添加纖維制備織物、如將含有結(jié)晶水的硫酸鈉（NaSO4）填充入中空纖維中，利用水合鹽的熔融結(jié)晶可逆過(guò)程中的放熱吸熱來(lái)調(diào)溫[2]。之后又采用聚乙二醇等[3]，但是在推廣和應(yīng)用方面還存在一定的困難，主要原因是制作成本較高、舒適性不如傳統(tǒng)織物、攜帶不方便。因此，美國(guó)、歐洲、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家許多公司在90年代后將相變材料采用包覆的方法制備成微膠囊應(yīng)用于服裝表面，結(jié)果表明這種微膠囊能有效降溫，提高人體舒適狀態(tài)[4]。我國(guó)將相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用于調(diào)溫服裝制品的研究工作主要是在20世紀(jì)90年代后開(kāi)始，其中以清華大學(xué)、東華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等研究較為突出[5-8]。清華大學(xué)的張寅平教授團(tuán)隊(duì)研制了醫(yī)用降溫服[9]，通過(guò)在服裝上布置多個(gè)口袋，用于裝降溫袋，使用時(shí)將其裝入口袋，利用相變潛熱進(jìn)行降溫，獲得了很好的效果。Gao[10]、Chou[11]、王云儀等[12]采用凝膠等相變材料制成降溫袋，通過(guò)暖體假人實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了降溫服裝在高溫條件的溫度變化。除了開(kāi)發(fā)出相變材料冷卻服外，張寅平等人[13-14]還研究了如何提高相變材料的導(dǎo)熱性等問(wèn)題。1.2.1相變材料作用機(jī)理相變材料的作用機(jī)理如圖1.1所示。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，材料通過(guò)發(fā)生等溫相變實(shí)現(xiàn)熱量的儲(chǔ)存及釋放[15]。利用這種原理，可以將相變材料通過(guò)一定方法與布料織物復(fù)合，就可以研發(fā)出具有自動(dòng)儲(chǔ)能調(diào)溫功能的衣服制品[16]。以固-液相變材料為例：當(dāng)處于夏季室外環(huán)境或高溫工作環(huán)境時(shí)，溫度升高并達(dá)到服裝內(nèi)相變材料熔點(diǎn)，材料會(huì)由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，此時(shí)相變過(guò)程會(huì)吸收并儲(chǔ)存熱量，起到降低服裝內(nèi)溫度的效果，延長(zhǎng)穿著者的熱舒適感。圖1.1相變材料工作原理1.2.2相變材料分類(lèi)相變材料可依據(jù)成分、相變形式、相變溫度范圍的不同分為多種類(lèi)型，不同的相變材料在不同領(lǐng)域有其自身的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)[17]。（1）按組成成分分類(lèi)相變材料按組成成分可分為無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料以及將有機(jī)材料和無(wú)材料共混的混合相變材料（表1.1所示）。其中，無(wú)機(jī)相變材料價(jià)格相對(duì)較低，但耐腐蝕性較差，在使用過(guò)程中也易出現(xiàn)相分離和過(guò)冷的現(xiàn)象。有機(jī)相變材料通常沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，主要通過(guò)支鏈的轉(zhuǎn)變進(jìn)行放熱或者吸熱，具有較低的相變溫度和較高的相交潛熱，可以多次循環(huán)使用[18]。表1.1不同成分相變材料性能對(duì)比種類(lèi)物質(zhì)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)有機(jī)相變材料石蠟類(lèi)潛熱大、過(guò)冷度小、性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)相分離、無(wú)腐蝕、價(jià)格便宜導(dǎo)熱系數(shù)小醇類(lèi)熱效率高、相變過(guò)冷度小且耐用易揮發(fā)聚合物等聚合物類(lèi)過(guò)冷度小、無(wú)相分離、穩(wěn)定吸放熱聚合物熔融溫度過(guò)寬、熔點(diǎn)過(guò)高100℃無(wú)機(jī)相變材料結(jié)晶水和鹽溶解熱高、價(jià)格便宜、儲(chǔ)熱密度大、熔點(diǎn)范圍廣過(guò)冷嚴(yán)重、易相分離、蓄熱性能差熔融鹽、金屬及合金溶解熱大、傳熱好價(jià)格高、不耐腐蝕、多用于高溫領(lǐng)域混合相變材料有機(jī)和無(wú)機(jī)共融混合物導(dǎo)熱較好、環(huán)境污染小，儲(chǔ)熱密度大材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜、界面處理技術(shù)難度大（2）按材料相變形式分類(lèi)依相變類(lèi)型可將相變材料分為四類(lèi)：固-液、固-固、固-氣和液-氣相變材料[19]。由于固-氣相變和液-氣相變產(chǎn)生氣體，應(yīng)用于服裝領(lǐng)域時(shí)存在方便性及安全性等問(wèn)題。固-固相變材料多為無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、多元醇類(lèi)等，無(wú)機(jī)鹽類(lèi)相變溫度高、相變焓小不適于服裝的應(yīng)用。相比之下，石蠟類(lèi)烷烴是較為常見(jiàn)的固-液相變材料，具有潛熱大、過(guò)冷度小、性質(zhì)穩(wěn)定、可逆性好、無(wú)相分離、無(wú)腐蝕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于服裝領(lǐng)域。（3）按相變溫度區(qū)間分類(lèi)相變材料按照相變溫度區(qū)間劃分可分為髙溫相變材料（相變溫度一般在200～2000℃）、中溫相變材料（相變溫度一般在15～200℃）、低溫相變材料（低于15℃）。各類(lèi)材料相關(guān)性能及應(yīng)用如表1.2所示[20]。中溫相變材料是目前應(yīng)用范圍最多的一類(lèi)材料，用于醫(yī)療器械運(yùn)輸、太陽(yáng)能儲(chǔ)熱、服裝制品和建筑材料外墻保溫與節(jié)能等領(lǐng)域。表1.2不同相變溫度范圍相變材料分類(lèi)種類(lèi)相變溫度范圍代表物質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)域高溫相變材料200～2000℃金屬合金、熔融鹽航空航天等特殊高溫環(huán)境中溫相變材料15～200℃有機(jī)物、結(jié)晶水合鹽等太陽(yáng)能儲(chǔ)熱、服裝、節(jié)能建材、醫(yī)用產(chǎn)品低溫相變材料低于15℃水凝膠、冰1.2.3相變材料的選擇原則材料在使用時(shí)需考慮相變溫度、潛熱熱值、熱導(dǎo)率、原料成本及工藝性等多方面因素。通常，人體感知的最適宜的溫度范圍為28℃左右（正負(fù)3℃）。因此，在降溫服裝領(lǐng)域，應(yīng)首先考慮相變點(diǎn)接近人體適宜溫度范圍的相變材料，同時(shí)還要滿(mǎn)足其他多個(gè)條件：（1）所選相變材料應(yīng)具有合適的相變溫度（熔化溫度）范圍，一般為25-35℃；（2）相變材料應(yīng)具有較大的潛熱熱值，既具有較高的熱量存儲(chǔ)能力；（3）相變材料的熔融溫度和凝固溫度差距較?。唬?）相變材料物化性質(zhì)穩(wěn)定，且無(wú)毒性，無(wú)腐蝕性。（5）材料只發(fā)生相變物理過(guò)程，不會(huì)對(duì)人體造成次生傷害；（6）為防止因溫度大幅變化（由高溫至低溫）影響人體穿著的舒適感，溫度變化時(shí)，相變過(guò)程必須可逆進(jìn)行。（7）相變過(guò)程可循環(huán)多次進(jìn)行，熔融和凝固過(guò)程沒(méi)有質(zhì)量損失，具有較好的重復(fù)性，降溫服的使用壽命高；（8）為使熱量在相變材料中快速傳遞，起到快速降溫效果，材料應(yīng)具有較好的導(dǎo)熱性，既較大的導(dǎo)熱系數(shù)。（9）相變過(guò)程中材料的體積變化應(yīng)該盡量小，便于材料封裝，和人體穿著后肢體的靈活性；（10）材料應(yīng)具有適宜的密度，保證封裝袋體積合適以及服裝整體的質(zhì)量與舒適性；（11）制備成本低。綜上考慮，結(jié)合1.2.2節(jié)中的分析可知，相比其他相變材料，石蠟材料具有更加優(yōu)異的綜合性能。首先，石蠟原材料易獲得且價(jià)格相對(duì)便宜，化學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)人體沒(méi)有接觸傷害；其次，石蠟相變過(guò)程體積變化較小，沒(méi)有過(guò)冷和相分離現(xiàn)象；此外，石蠟的儲(chǔ)熱性能優(yōu)異，由于石蠟因碳原子含量不同具有不同的溫度范圍，不同類(lèi)型石蠟之間可以互相混合，相變溫度范圍可以根據(jù)實(shí)際使用靈活調(diào)整。總體來(lái)看，石蠟類(lèi)相變材料在降溫服裝領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。1.3本文研究?jī)?nèi)容為實(shí)現(xiàn)石蠟材料在夏micai服中的有效應(yīng)用，本文以C18石蠟材料為基體，通過(guò)向其中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁粉、石墨和膨脹石墨粉末的方法對(duì)石蠟基體熱性能進(jìn)行改性，研究了添加物對(duì)于石蠟相變材料熱性能的影響情況。并采用水浴熱實(shí)驗(yàn)探究了不同材質(zhì)封裝材料和添加隔熱布料對(duì)相變材料升溫特性的影響。這些工作對(duì)與石蠟相變材料作為蓄冷模塊提高wj夏micai服的調(diào)溫功能及使用舒適性具有重要的意義。第二章實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)試過(guò)程2.1石蠟材料2.1.1石蠟相變材料石蠟屬于有機(jī)烷烴類(lèi)混合物，其分子通式為。它的種類(lèi)繁多，依據(jù)碳原子數(shù)的不同，具有不同的熱物理性能（表1.3所示）。石蠟的來(lái)源非常廣泛，并且價(jià)格低廉，能夠滿(mǎn)足我國(guó)wjbd夏季冷卻micai服的大規(guī)模使用。石蠟相變溫度范圍廣（10℃-80℃），碳原子含量越高，相變溫度越高。不同石蠟相變熱相差不大，主要集中在200至300KJ/kg范圍，與無(wú)機(jī)鹽類(lèi)相當(dāng)[21]。表1.3不同碳原子數(shù)石蠟的性能碳原子數(shù)熔融溫度/℃熔融熱焓（J/g）結(jié)晶溫度/℃結(jié)晶熱焓（J/g）1828.2235.724.4227.831931.922228223.822036.823930.6231.79考慮到石蠟導(dǎo)熱系數(shù)小，僅為0.24W/mK。因此，在考慮將石蠟用于相變降溫材料使用時(shí)，如何提高石蠟的導(dǎo)熱效率對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義[22]。目前常見(jiàn)的方法是在石蠟類(lèi)材料中加入高導(dǎo)熱率物質(zhì)。常見(jiàn)的添加類(lèi)型主要為金屬粉末和石墨粉末[23]。Khan[24]等通過(guò)在石蠟相變材料基體中分別加入Al、Fe、Cu等金屬粉末，采用數(shù)值模擬的方法研究了材料在凝固過(guò)程中的熱量傳輸情況。張寅平等人[25]在石蠟中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁粉和銅粉（含量5%-20%）,并研究了材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化，結(jié)果表明添加鋁粉后導(dǎo)熱系數(shù)提高了20％～48％，加入銅粉后導(dǎo)熱系數(shù)提高了11％～24％。楊樹(shù)等人[26]通過(guò)加入石墨制得石蠟/石墨復(fù)合相變材料，提高了傳熱性能。Xavier等[27]人采用多孔石墨制備了石蠟/石墨復(fù)合相變材料，相比于普通石墨添加，多孔石墨可以通過(guò)吸附石蠟來(lái)提高基體物質(zhì)石蠟所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，石蠟占比最高可達(dá)95％。相對(duì)于純石蠟材料，多孔石墨/石蠟復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)最多提高了近30倍，表現(xiàn)出良好的熱傳導(dǎo)效果。張正國(guó)等[28]選用了膨脹石墨來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)石墨制備了石蠟基復(fù)合相變材料，膨脹石墨孔洞也表現(xiàn)出良好的吸附能力。2.1.2石蠟材料選擇相變溫度對(duì)于選擇合適的相變材料非常重要，根據(jù)1.2.3節(jié)的分析及不同碳原子含量石蠟的熔融溫度（表1.3所示）來(lái)看，C18和C19石蠟最為合適。然而相比于奇數(shù)碳原子的C19石蠟，C18來(lái)源更為廣泛。2.1.3石蠟密度測(cè)定由于石蠟熔融溫度低，可采用水浴加熱的方法，將已知質(zhì)量的石蠟塊放入試管中加熱到40℃使其融化，得到體積值，從而獲得石蠟密度約為0.8g/cm3。2.1.4石蠟體積膨脹率測(cè)定作為基體材料，石蠟的體積膨脹率對(duì)于能否進(jìn)行封裝非常重要，體積膨脹率過(guò)高會(huì)造成封裝袋破裂導(dǎo)致材料泄露。體積膨脹率測(cè)試步驟為：將一定量石蠟裝入試管，在水浴中加熱融化后放置冰箱凝固，讀出體積V1，將試管取出后再次放入水浴中融化，得到體積V2。體積膨脹率即為(V2-V1)/V1，本課題中石蠟材料體積膨脹率約為6.2%。2.1.5石蠟融化溫度測(cè)試采用差式掃描量熱法(DSC)測(cè)試石蠟的熔化溫度，測(cè)試溫度為10℃-80℃，升溫速率為5℃/min，采用氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)。采用切線(xiàn)法及曲線(xiàn)積分法測(cè)得石蠟材料相變溫度為28.2℃，相變潛熱約為150kJ/kg，表明材料符合降溫服用適宜溫度。2.2膨脹石墨材料制備鋁粉購(gòu)于長(zhǎng)沙天久金屬材料有限公司、粉末粒徑范圍為5-40微米（過(guò)400目篩），石墨粉及可膨脹石墨粉末購(gòu)于青島石墨股份有限公司，石墨粉平均粒徑為10μm，可膨脹石墨膨脹率220mL/g,粒度80目。實(shí)驗(yàn)中的膨脹石墨粉末由可膨脹石墨制得，將可膨脹石墨粉干燥、800℃加熱并保溫，使可膨脹石墨發(fā)生膨脹，得到膨脹石墨，如圖2.1（a）所示。膨脹石墨結(jié)構(gòu)松散，密度低，外形為蠕蟲(chóng)狀。在掃描電鏡下微觀形貌如圖2.1（b）所示，膨脹石墨具有微孔洞，意味著比表面積增大，將有利于對(duì)石蠟材料的吸附。圖2.1膨脹石墨宏觀及微觀組織形貌2.3復(fù)合相變材料制備過(guò)程復(fù)合相變材料采用熔融共混法制備，將添加粉末加入到融化的石蠟中攪拌均勻后冷卻后既可得到。具體步驟如下：將水浴鍋打開(kāi)并保持恒定溫度，將石蠟放入到燒杯中，將其充分融化在40℃的恒溫水浴中。依次將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%的鋁粉加入到恒溫水浴中，并充分?jǐn)噭?dòng)30分鐘。把已經(jīng)攪動(dòng)充分的石蠟和鋁粉加入到試管里面，并固定其中心，最后快速移至冰箱當(dāng)中，使其受冷超過(guò)八小時(shí)。④重復(fù)步驟添加石墨，其中石墨-石蠟材料添加物含量分別為5%、10%和15%。膨脹石墨粉由于體積大，因此把它們放入到融化的石蠟中時(shí)，必須采取手動(dòng)攪拌的方式進(jìn)行，攪拌時(shí)間為30min左右，除此之外的步驟采取與相同的方式進(jìn)行。同時(shí)，因?yàn)榕蛎浭缮⒌慕Y(jié)構(gòu)特性，要成功制備成型的固體狀相變材料，膨脹石墨需要選擇適當(dāng)?shù)谋壤?。?dāng)添加量較少時(shí)，不能起到足夠的性能改善效果，含量太大時(shí)，與石蠟共混過(guò)程中有浪費(fèi)現(xiàn)象。因此通過(guò)前期探索性實(shí)驗(yàn)，確定了膨脹石墨-石蠟復(fù)合相變材料中，膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，5%，8%。制得的材料如圖2-2所示，分散性好且無(wú)沉降。最后，將所有材料進(jìn)行編號(hào)，如表2.1所示。表2.1實(shí)驗(yàn)組分類(lèi)類(lèi)別15%鋁粉組10%鋁粉組5%鋁粉組15%石墨組10%石墨組5%石墨組8%膨脹石墨5%膨脹石墨2%膨脹石墨編號(hào)A1A2A3B1B2B3C1C2C3圖2.2含8%膨脹石墨的相變材料2.4相變材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)采用熱物性分析測(cè)試儀測(cè)得，主要測(cè)試原理為，將測(cè)試過(guò)程中探頭的阻值變化轉(zhuǎn)化為溫度的變化，從而建立起測(cè)試時(shí)段內(nèi)探頭溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系，通過(guò)公式轉(zhuǎn)化得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中采用C7577云母探頭，輸出功率0.02W，每組樣品測(cè)試3次，測(cè)試時(shí)間為10秒，每次測(cè)量時(shí)間間隔30分鐘，將測(cè)試結(jié)果取平均值。測(cè)試之前將樣品制成圓片形狀，將探頭置于2塊相同材料之間，將樣品恒溫加熱至30℃。2.5相變材料熱性能測(cè)試測(cè)試實(shí)驗(yàn)中主要用到的儀器裝置如圖2.3所示。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：把具有恒定溫度的水浴鍋調(diào)成為40℃，待溫度完全穩(wěn)定以后，把裝有樣品的試管加入到恒溫水浴中，開(kāi)始準(zhǔn)備蓄熱。打開(kāi)溫度采集系統(tǒng)。當(dāng)樣品溫度保持在40℃時(shí)，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備關(guān)閉，觀察試管中樣品的狀態(tài)。圖2.3實(shí)驗(yàn)裝置示意圖第三章相變材料熱性能分析3.1導(dǎo)熱系數(shù)純石蠟材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.245W/mK。添加不同組元粉末后的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)如表3.1所示。相比于純石蠟材料，添加高熱導(dǎo)率粉末后，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱能力均有所提高。其中添加5%，10%，15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁粉后，材料導(dǎo)熱系數(shù)分別提高6.1%，15.1%，30%；添加5%，10%，15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨粉末后，導(dǎo)熱系數(shù)分別提高10.2%，20%，34.7%；相比之下添加膨脹石墨粉末對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高效果最明顯，當(dāng)添加量達(dá)到8%時(shí)，材料導(dǎo)熱系數(shù)提高2.34倍。表3.1復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)材料A1A2A3B1B2B3C1C2C3導(dǎo)熱系數(shù)0.3190.2820.260.330.2940.270.820.4120.2923.2水浴實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖3.1、圖3.2、圖3.3分別代表了添加不同含量鋁粉、石墨粉及膨脹石墨后復(fù)合相變材料在恒溫水域內(nèi)溫度隨時(shí)間的相變過(guò)程。對(duì)比所有材料的融化曲線(xiàn)可以看出，材料的升溫過(guò)程均可分為三個(gè)階段，分別是快速升溫、緩慢升溫、溫度突變階段。圖3.1不同含量鋁粉添加后作用曲線(xiàn)圖圖3.2不同含量石墨粉添加后作用曲線(xiàn)圖圖3.3不同含量膨脹石墨粉添加后作用曲線(xiàn)圖以純石蠟材料為例，材料在500s、1000s、1500s、2000s、2500s時(shí)刻的溫度及每隔500s時(shí)間段的溫升情況分別如表3.2所示。將表中溫升數(shù)據(jù)作圖如3.4所示，能夠更加清晰地看出材料溫度的變化趨勢(shì)。表3.2石蠟相變材料溫度變化情況時(shí)刻500s1000s1500s2000s2500s溫度20.8℃24.8℃26.727.9℃39.2℃溫升5.8℃4℃1.9℃1.2℃11.5℃圖3.4每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)溫升變化首先在開(kāi)始階段增溫較快，主要原因是相變材料與外界環(huán)境存在較大的溫度差，此時(shí)外層向內(nèi)傳遞熱量的方式以熱傳導(dǎo)為主，材料吸收熱量升溫速率較快，所以這一階段△T較大，由表3-2中數(shù)據(jù)可知，在最初升溫階段500s內(nèi)溫度上升為5.8℃。隨著熱量吸收的增加，材料與外界環(huán)境的溫差減小，系統(tǒng)熱分布逐漸趨于平衡，熱傳導(dǎo)作用逐漸減弱，溫度上升速率逐漸減慢，在500-1000s時(shí)間段內(nèi)材料溫度上升了4℃。溫度繼續(xù)升高到相變溫度時(shí)，少量的固相開(kāi)始融化成液相，相變的發(fā)生使材料將吸收的熱量轉(zhuǎn)化為潛熱，并且隨著液相含量的不斷增多，使?jié)摕徇^(guò)程維持一定的時(shí)間，溫度變化曲線(xiàn)逐漸趨于平緩，因此在1000s-2000s時(shí)刻內(nèi)材料溫度一共僅升高3.1℃。在液相含量不斷增大的同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的對(duì)流作用也在不斷增強(qiáng)，當(dāng)相變即將完成時(shí)（1500s-2000s時(shí)刻），液相大量吸熱，導(dǎo)致溫度急速升高。相變過(guò)程完成后，熱量的吸收與釋放接近平衡，溫差逐漸變小并最終到達(dá)環(huán)境溫度。由于材料基體不變，添加不同粉末后相變材料的融化溫度沒(méi)有明顯的變化，所有材料均在28℃（正負(fù)2℃）左右發(fā)生溫度的突變，表明在此溫度下，材料發(fā)生了融化。同時(shí)，相比于純石蠟材料的溫度變化曲線(xiàn)，添加所有粉末后，復(fù)合相變材料到達(dá)熔化溫度的時(shí)間都不同程度地提早。表明添加粉末后材料的熱傳導(dǎo)性能提高。主要原因在于，材料融化初期主要的熱量傳遞方式為熱傳導(dǎo)。鋁粉、普通石墨及膨脹石墨都具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，加入石蠟中會(huì)加快其熱傳導(dǎo)速率。觀察鋁-石蠟（圖3.1）、石墨-石蠟（圖3.2）和膨脹石墨-石蠟（圖3.3）材料各溫度-時(shí)間曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，溫升速率隨添加含量的不同而變化。不管是添加鋁粉，還是添加石墨粉或膨脹石墨，升溫速率均高于純石蠟材料。對(duì)于添加鋁粉的材料，升溫速率隨著添加含量的提高而提高，如表3-3所示。當(dāng)添加5%鋁粉后，相變材料(A3)到達(dá)40℃所用的時(shí)間約為2300s，相比純石蠟材料提升了約8%；添加10%鋁粉的材料，到達(dá)40℃的升溫速率提升16.5%，添加15%鋁粉的材料升溫速率提升約27%。表3.3鋁-石蠟相變材料加熱到40℃所需溫度材料石蠟A3A2A1時(shí)間2500s2300s2150s1970s表3-4中顯示的是加入5%、10%和15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨相變材料升溫至40℃所需要的時(shí)間。對(duì)比表3-3發(fā)現(xiàn)其基本規(guī)律和加入鋁粉時(shí)相同。但整體上，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，石墨/石蠟相變材料的升溫速率略高于鋁/石蠟材料。石墨含量5%時(shí)，材料到達(dá)40℃所用的時(shí)間為2280s，升溫速率較石蠟提高9.5%；10%石墨/石蠟材料升溫速率提高19%；當(dāng)石墨添加量達(dá)到15%時(shí)，材料升溫速率提高31%，超過(guò)含15%鋁的相變材料。表3.4石墨-石蠟相變材料加熱到40℃所需溫度材料石蠟B3B2B1時(shí)間2500s2280s2080s1900s此外，對(duì)比圖3.1和3.2可以發(fā)現(xiàn)，添加相同組分的相變材料在發(fā)生相變之前階段的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)重合性較大。當(dāng)材料溫度進(jìn)入相變溫度區(qū)間后，不同組分材料曲線(xiàn)之間差別明顯增大，表明鋁粉和石墨對(duì)石蠟材料相變溫度階段的影響機(jī)制相同，都是對(duì)蓄熱速率影響較大[29]。分析上述原因，造成這種影響的主要原因可能是導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于石蠟的鋁粉和石墨粉末粒徑較小，比表面積大，界面作用強(qiáng)，與石蠟均勻混合后，使系統(tǒng)的熱導(dǎo)率提高，既表3.1中所示的熱導(dǎo)率變化。而在水浴加熱實(shí)驗(yàn)中則表現(xiàn)出蓄熱過(guò)程的熱量傳導(dǎo)速率得以加強(qiáng)，使基體石蠟中儲(chǔ)存的冷量能夠在適宜的時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，既加速了石蠟的融化過(guò)程和石蠟的放冷速率。表3.5中為添加膨脹石墨后材料的升溫速率。相比添加鋁和石墨，添加膨脹石墨后的材料升溫速率得到明顯的提升。即使加入2%的膨脹石墨，材料的平均升溫速率便已提升近40%，不到1800s便可達(dá)到環(huán)境溫度。隨著膨脹石墨含量繼續(xù)升高，材料升溫速率增速也明顯快于鋁粉及石墨添加后的材料。含5%、8%膨脹石墨的材料升溫到40℃分別需要1540s和800s，相比純石蠟材料分別提高了62%和2.13倍。此結(jié)果也與表3.1中不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值相符合。表3.5膨脹石墨-石蠟相變材料加熱到40℃所需溫度材料石蠟C3C2C1時(shí)間2500s1790s1540s800s綜上所述，膨脹石墨添加后對(duì)石蠟導(dǎo)熱性能的提升效果最明顯。究其原因，主要與膨脹石墨本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。相比純石墨，膨脹石墨在高溫下體積膨脹，蠕蟲(chóng)狀結(jié)構(gòu)松散，內(nèi)部多為孔洞，有利于對(duì)石蠟的吸附。且同質(zhì)量條件下，比表面積比石墨和鋁粉大得多。當(dāng)在液體石蠟中加入膨脹石墨后，液體石蠟在膨脹石墨孔洞的吸附下進(jìn)入其中，當(dāng)添加量達(dá)到8%后，膨脹石墨將石蠟充分吸附。不僅能使材料的熱傳導(dǎo)性能和冷量釋放速率達(dá)到最優(yōu)效果，還能通過(guò)孔洞的包覆作用阻止石蠟在融化時(shí)發(fā)生流動(dòng)，可以提高材料在服裝中使用時(shí)的壽命。因此，膨脹石墨相比傳統(tǒng)的高熱導(dǎo)率粉末具有更加優(yōu)異的促進(jìn)石蠟導(dǎo)熱的效果。第四章相變材料封裝實(shí)驗(yàn)4.1封裝設(shè)計(jì)方法選擇本研究主要目的是希望將石蠟材料應(yīng)用于冷卻服，以便于大規(guī)模裝備wj執(zhí)勤使用。因此，在確定相變材料以后，下一步就需要考慮將相變材料如何封裝及封裝后與服裝結(jié)合的問(wèn)題。通常相變材料的封裝方式主要包括宏觀封裝及微觀封裝。其中微觀封裝主要是指將相變材料由微膠囊包覆制成相變材料微膠囊，并將其吸附于纖維上制成紡織品，但是制備工藝普遍比較繁瑣，且目前包覆用的芯材價(jià)格較高，導(dǎo)致制備成本較高，不適用于大批量常規(guī)夏micai服使用。因此從成本角度考慮，本課題中對(duì)各種復(fù)合相變材料均采用常規(guī)包覆的方法，制成相變蓄冷模塊。4.2不同材質(zhì)的封裝袋對(duì)材料升溫特性的影響由于封裝后，相變材料不再直接與外界環(huán)境接觸，而是通過(guò)封裝袋作為中間介質(zhì)。因此，使用不同材質(zhì)的封裝袋進(jìn)行封裝會(huì)對(duì)相變材料的傳熱性能產(chǎn)生不同的影響。本實(shí)驗(yàn)中選擇鋁箔封裝袋和尼龍+聚乙烯（PA-PE）復(fù)合封裝袋。為探究封裝袋的作用，本實(shí)驗(yàn)以純石蠟為材料，將其封裝于如圖4.1所示的鋁箔封裝袋和PA-PE復(fù)合封裝袋中，每袋封裝包內(nèi)石蠟材料質(zhì)量為60克，仍然采用水浴加熱的方法對(duì)包裝后的材料進(jìn)行升溫測(cè)試，根據(jù)人體適宜的感知溫度確定水浴加熱溫度為33℃。圖4.1石蠟相變材料封裝實(shí)物圖相變材料封裝包水浴加熱實(shí)驗(yàn)中仍采用第二章中所描述的加熱方式，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4.2所示。將封裝包固定在一定高度后，向恒溫水浴鍋中加水，為方便測(cè)試，水不要完全沒(méi)過(guò)封裝包。封裝包露出水面的部位開(kāi)一個(gè)小口以便將熱電偶從開(kāi)口伸入內(nèi)部材料中，測(cè)試在封裝材料阻隔的情況下材料溫度的升溫速率。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，將水浴鍋中加熱到所需的溫度（33℃）并保持恒定。把裝有樣品的封裝包加入到恒溫水浴中，開(kāi)始準(zhǔn)備蓄熱。將溫度采集系統(tǒng)打開(kāi)并記錄材料溫度隨時(shí)間的變化情況，當(dāng)樣品溫度升高到在33℃時(shí)，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備關(guān)閉，將溫度變化的數(shù)據(jù)作圖對(duì)比分析。圖4.2封裝包覆后相變材料水浴實(shí)驗(yàn)裝置不同封裝材料包裝下，石蠟相變材料溫度-時(shí)間曲線(xiàn)如圖4-3所示。其中藍(lán)色曲線(xiàn)為不加材料時(shí)水浴鍋內(nèi)的溫度?？梢钥闯觯煌庋b材料包裝后溫度變化曲線(xiàn)相似，升溫過(guò)程的整體趨勢(shì)均與第三章中純石蠟材料水浴實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。不同的是，采用鋁箔袋封裝后的石蠟相變材料，比采用復(fù)合封裝袋的材料更早達(dá)到水浴環(huán)境溫度。其中鋁箔袋裝材料需要125分鐘，復(fù)合封裝袋中的材料則需要145分鐘，兩者有效作用時(shí)間相差20min。既鋁箔封裝袋表現(xiàn)出更高的升溫速率。另外，從圖4.3中可以看到從加熱之初一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，相同時(shí)間刻度下兩種封裝包內(nèi)始終保持一定的溫差，復(fù)合封裝袋中相變材料溫度總體低于鋁箔封裝袋中材料的溫度。圖4.3水浴加熱條件下兩種封裝類(lèi)型石蠟的升溫曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)比不同袋中石蠟材料的形貌，其中鋁箔封裝袋中石蠟已基本融化，相比之下復(fù)合封裝袋中石蠟并沒(méi)有完全融化。結(jié)合升溫曲線(xiàn)可知，鋁箔封裝袋具有比復(fù)合封裝袋更好地導(dǎo)熱性，更有利于提高服裝的降溫效果，適用于急需快速降溫的環(huán)境，如夏季中暑者，高溫爐旁工作的人員。從另一個(gè)角度看，雖然復(fù)合封裝袋有一定隔熱作用，但是在夏天執(zhí)勤站崗等長(zhǎng)期工作環(huán)境下，可以發(fā)揮持續(xù)緩慢降溫的功能。4.3隔熱布料對(duì)石蠟升溫特性的影響封裝后的相變材料最終用于服裝中。而不同的布料也會(huì)影響人體和衣服，衣服與外界環(huán)境之間的熱量傳遞。基于上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在兩種封裝袋外層添加隔熱布料，以研究隔熱布料對(duì)石蠟升溫特性的影響。測(cè)試過(guò)程與4.2節(jié)相同，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4.2.添加隔熱布料后材料升溫曲線(xiàn)如圖4.4所示。圖4.4添加隔熱布料后兩種封裝類(lèi)型石蠟的升溫曲線(xiàn)由結(jié)果可知，鋁箔袋裝石蠟相變材料依然比復(fù)合封裝袋中的材料更早達(dá)到水浴環(huán)境溫度。其中鋁箔袋裝材料需要150分鐘，復(fù)合封裝袋中的材料則需要190分鐘，兩者有效作用時(shí)間相差40min。與不加隔熱布料結(jié)果（圖4.3）所不同的是，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段，相同時(shí)刻下兩種封裝內(nèi)材料平均溫度相差不大，這種現(xiàn)象持續(xù)近25分鐘后才開(kāi)始出現(xiàn)差異。之后的結(jié)果與圖4.3相同，不同時(shí)刻下復(fù)合封裝袋內(nèi)石蠟材料溫度總體低于鋁箔袋內(nèi)石蠟的溫度。圖4.5隔熱布添加對(duì)封裝石蠟材料升溫速率的影響將圖4.3和4.4曲線(xiàn)綜合對(duì)比（圖4.5）可以看到，添加隔熱布料后，兩種封裝袋內(nèi)材料升溫速率均明顯降低。其中鋁箔袋材料達(dá)到環(huán)境溫度所需時(shí)間增加25分鐘，復(fù)合袋材料增加45分鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，未加隔熱布料的封裝袋內(nèi)石蠟已經(jīng)大部分融化，而加隔熱布料的這組材料未融化部分較大。不管是鋁箔封裝材料還是復(fù)合袋裝材料，在整個(gè)升溫過(guò)程中，加隔熱布料的材料溫度始終低于未加隔熱布料的材料。上述結(jié)果對(duì)于未來(lái)相變服裝的設(shè)計(jì)仍具有一定的指導(dǎo)意義，例如在服裝設(shè)計(jì)時(shí)在最外層添加隔熱布料，雖然使內(nèi)部相變材料熱傳導(dǎo)速率降低，但是卻可以有效阻擋熱量向人體的散發(fā)。第五章全文結(jié)論與展望5.1結(jié)論本文在對(duì)比了不同類(lèi)型相變材料的優(yōu)缺點(diǎn)后，采用石蠟作為冷卻服中相變蓄冷模塊的基礎(chǔ)相變材料，分析測(cè)試了石蠟的相關(guān)性能。并采用組元添加的方法對(duì)其進(jìn)行改性處理，研究了不同含量鋁粉、石墨及膨脹石墨組元添加對(duì)石蠟相變材料熱性能的影響。獲得如下結(jié)果：1.石蠟材料體積膨脹率較小，約為6.2%，密度為0.8g/cm3，綜合性能好，有利于降溫服裝的應(yīng)用?！?.三種添加組元均能提升石蠟基體的導(dǎo)熱效率，相比于添加石墨和鋁粉，添加膨脹石墨后材料升溫速率提升更加明顯。添加含量2%時(shí)，材料的平均升溫速率便已提升近40%，超過(guò)了添加15%鋁粉和石墨的材料。添加8%膨脹石墨后材料升溫速率提高2倍多，同時(shí)膨脹石墨與石蠟結(jié)合良好，表現(xiàn)出最好的優(yōu)化效果。3.在水浴加熱實(shí)驗(yàn)中，鋁箔袋封裝材料表現(xiàn)出較好的導(dǎo)熱性，而復(fù)合袋封裝后材料表現(xiàn)出一定的隔熱作用。4.添加隔熱布均能降低鋁箔及復(fù)合封裝袋材料的升溫速率，使降溫作用持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，其中鋁箔封裝袋材料延長(zhǎng)25分鐘，復(fù)合袋材料延長(zhǎng)45分鐘。5.2展望本文從組元添加的角度對(duì)石蠟相變材料進(jìn)行了調(diào)溫性能改善，但限于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件因素以及疫情的影響，在相變材料應(yīng)用于夏micai服成品中的效果檢驗(yàn)方面仍有許多工作值得進(jìn)一步開(kāi)展。主要包括微氣候模擬倉(cāng)實(shí)驗(yàn)及炎熱環(huán)境下人體降溫實(shí)驗(yàn)。1.微氣候模擬倉(cāng)實(shí)驗(yàn)。將微氣候?qū)嶒?yàn)室使用加熱器升溫到某一恒定溫度（35℃±2℃），讓實(shí)驗(yàn)者先后穿上統(tǒng)一配發(fā)的夏micai服和含有相變模塊的夏micai服進(jìn)行端坐、站立及徒步巡邏，每次測(cè)試都將溫度傳感器固定在衣服的胸部、腰部、肩胛等預(yù)先設(shè)計(jì)好的部位，采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄兩次實(shí)驗(yàn)中人體各處表面溫度的數(shù)值。同時(shí)記錄測(cè)試過(guò)程中實(shí)驗(yàn)者穿著不同服裝的主觀感受，如熱感覺(jué)、熱舒適度、潮濕度等。采用紅外測(cè)溫設(shè)備全程記錄人體的溫度變化，對(duì)比降溫服相比于普通服裝的降溫效果。2.夏季室外實(shí)驗(yàn)。相比于微氣候模擬倉(cāng)中環(huán)境可以人為設(shè)定，且長(zhǎng)期保持恒定。自然環(huán)境下的測(cè)試可以更加體現(xiàn)相變服裝的降溫效果。在夏季炎熱的室外，受測(cè)試人員穿著冷卻服進(jìn)行降溫效果實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為下午2點(diǎn)至4點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中使用的溫度采集系統(tǒng)，及紅外測(cè)溫系統(tǒng)與微氣候模擬倉(cāng)中一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分析溫度測(cè)試及紅外熱像圖結(jié)果等參數(shù)。參考文獻(xiàn)[1]HansenRH.Temperature-adaptableFabrics[P],US3607591[2]VigoTL,BrunoJS.TemperatureAdaptableTextileFibersandMethodofPerparingSame[P],W087078541.Shim.H.McCullough.[3]VigoTL，F(xiàn)rostCM.TemperatureAdoptableFabrics[J],TextileResJ,1986(12):737[4]張冬霞.相變材料在調(diào)溫服裝中的應(yīng)用研究[D].北京服裝學(xué)院2006.[5]張興祥.PP/PEG蓄熱調(diào)溫復(fù)合纖維的紡絲與性能[J].天津紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（18）：118.[6]石海峰，張興祥.蓄熱調(diào)溫紡織品的研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀[J].紡織學(xué)報(bào),2001(5)：63-65.[7]石海峰，張興祥.微膠囊在蓄熱調(diào)溫紡織品中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2001（12）:23.[8]曹虹霞,李和玉,張健飛.相變材料微膠囊的制備及應(yīng)用[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011(01):14-17.[9]張寅平,王馨，等.醫(yī)用降溫服裝熱性能與應(yīng)用效果研究[J].暖通空調(diào)，2003,33:58-61[10]GAOC,KUKLANEK,HOLMERI.CoolingeffectofaPCMvestonathermalmanikinandonhumansexposedtoheat[C].Proceedingsof12thInternationalConferenceonEnvironmentalErgonomics.Biomeddoo,Ljubljana,Slovenia,2007,12:146-149.[11]CHOUC,TOCHIHARAY,KIMT.Physiologicalandsubjectiveresponsestocoolingdevicesonfirefightingprotectiveclothing[J].EuropeanJou