相變調溫面料中相變區域分布對溫度的影響

陳曉輝,張國慶,楊 罡,楊 柳,王雪琴

(浙江理工大學,a. 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院);b. 材料科學與工程學院,杭州 310018)

在“碳達峰”“碳中和”及能源問題日益嚴峻的時代背景下,相變材料作為新型儲能材料被廣泛地運用在建筑、能源、紡織等領域。Aguayo等[1]研究兩種不同相變微膠囊的結構特性對水泥空隙結構的影響。Jilte等[2]采用雙層納米顆粒增強相變材料改進電池模塊配置,在40 ℃的環境下電池溫度能維持在46 ℃以下。利用相變材料隨著溫度變化時吸收或釋放熱量這一特性可以將相變材料應用在紡織領域,使得紡織面料具有雙向調溫功能。根據相變材料的相變形式、相變溫度、化學組成等特性,將相變材料與面料結合制成的服裝應用在不同領域,如寒冷環境中的防寒手套[3]、防寒服[4],高溫環境中的熱防護服[5]、消防服[6]等。

相變材料在紡織領域應用過程中,主要存在相變材料泄露、服裝服用性能差等一系列問題。而針對相變材料的穩定性問題,目前最為普遍的做法是利用微膠囊技術[7]、紡絲法[8]、中空纖維填充法[9]對相變材料進行封裝固定。后整理法是將相變微膠囊通過后整理制成調溫紡織品的方法,是在生產實踐中最簡易快速的一種方法,且其流程成本較低。所以后整理法應用較為廣泛,后整理法制備相變微膠囊調溫面料主要有浸軋法、涂層法等[10]。

隨著計算機水平的不斷進步,利用計算機軟件進行宏觀途徑的熱傳遞模擬仿真,優化設計并預測實驗結果方興未艾[11]。數值模擬可以得出相應的仿真結果,達到對實驗設計過程優化、節約成本的目的。如建筑領域中模擬仿真橋梁的極限壓力來指導設計流程,紡織領域中模擬子彈射擊防彈背心過程進一步優化設計方案。在研究面料的傳熱過程中Peijian 等[12]、孫亞博等[13]、張潔等[14]使用建模軟件建立平面織物模型,基于有限元法模擬仿真,深入探究了織物的傳熱性能并驗證了仿真的科學性。

目前關于相變調溫面料設計生產過程中的研究主要集中在不同相變材料用量、后整理工藝優化等領域。關于如何優化設計相變材料的分布,同時利用有限元軟件進行優化設計的研究較少。本文主要是將石蠟作為相變材料,通過后整理工藝制備不同相變區域分布的相變調溫面料。利用熱紅外成像儀器記錄分析不同散點分布的相變調溫樣品溫度變化,同時利用有限元軟件構建不同散點相變調溫模型,并驗證不同散點分布相變調溫模型溫度變化。該研究可為相變調溫面料的優化設計及在實際環境中的調溫效果進行預測提供理論基礎。

1 相變調溫面料的制備與測試

1.1 實驗材料和儀器

實驗材料:相變石蠟(標號33,工業級,浙江皇星化工股份有限公司);十二烷基苯磺酸鈉(分析純,天津科密歐化學試劑有限公司);聚丙烯酸酯(分析純,上海吉至生化科技有限公司)。

實驗儀器:電子天平(JD210-4P,沈陽龍騰電子有限公司);差示掃描量熱儀(DCS Q2000,北京五洲東方科技發展有限公司);差示掃描量熱儀(DCS Q2000,北京五洲東方科技發展有限公司);導熱系數測量儀(TC300,西安夏溪電子科技有限公司);紅外熱成像儀(H2在線式成像儀,TOPRIE);數字式織物厚度儀(YG(B)141D,溫州際高檢測儀器有限公司);電熱恒溫鼓風烘燥機(DHG-9070A,上海精宏實驗設備有限公司);平板硫化機(25T,湖州順力橡膠機械有限公司)。

1.2 相變調溫面料的制備及分布設計

相變調溫面料的制備:首先將石蠟作為芯材分散在十二烷基苯磺酸鈉乳液中,聚丙烯酸酯作為壁材,兩者體積比2∶1進行混合攪拌30 min制備成相變微膠囊。隨后將織物充分浸潤在混合液中,利用隔熱薄膜將充分浸潤的織物放置其中,用平板硫化機進行充分熱壓。最后將織物放入烘箱中烘干成相變調溫織物。

在保證相變微膠囊區域與非相變微膠囊區域面積相同的情況下,分別制作1、3、5、7散點數量的相變調溫面料,并標記為1#、2#、3#、4#面料,示意圖如圖1所示。

圖1 不同散點的相變調溫面料示意Fig.1 Schematic diagram of phase change temperature regulating fabrics with different scatter points

為研究相變調溫面料在降溫過程中的調溫效果,將冰袋放在保溫盒的4個角落,實驗樣品放置在保溫盒的中心位置以保證溫度的均勻性。用溫度計測量中心位置溫度為8 ℃,用冰袋和保溫盒自制的寒冷環境可以保證溫度短時間內恒定,同時環境的空氣流動小,減少對實驗的影響。

實驗步驟:首先將相變調溫面料放在60 ℃的烘箱內加熱3 min,緊接著將面料放置在保溫盒中并利用紅外測溫儀記錄降溫過程中平均溫度的變化。

1.3 測試與表征

1.3.1 相變微膠囊負載量測試

為了定量分析面料上相變微膠囊的負載量,分別取相變微膠囊調溫面料和純棉機織面料并將其裁剪成10 cm×10 cm的正方形,放在電子天平上進行稱重3次取平均值,計算相變微膠囊調溫面料和純棉機織面料重量的差值。純棉機織物面料和相變微膠囊調溫面料樣品的表面形貌照片如圖2所示。

圖2 純棉面料與相變微膠囊調溫面料對比Fig.2 Comparison of pure cotton fabric and phase change microcapsule thermostat fabric

1.3.2 織物厚度

利用YG(B)141D數學式織物厚度儀對相變調溫微膠囊面料厚度進行測量,為后續有限元模擬仿真中建立模型提供數據支持。該儀器執行國家標準GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》。具體操作步驟:首先在無試樣條件下進行試驗,選擇壓腳面積2000 mm2、加壓壓力1000 Pa、加壓時間 10 s 后清零。將本實驗樣品正面放置在儀器上,保證樣品表面無褶皺,加壓10 s后讀取數據后根據標準計算織物厚度。

1.3.3 儲熱性能

稱取相變微膠囊調溫一定質量面料,利用差示掃描量熱儀(DSC)對其進行儲熱性能測試。測試溫度區間為0～50 ℃,升溫速率為10 ℃/min,氮氣保護。

1.3.4 導熱性能

利用TC300導熱系數測量儀對相變微膠囊調溫面料導熱系數進行測試與分析。將準備好的待測試樣進行濕熱平衡,再選擇合適的探頭對織物進行測試。

1.3.5 紅外熱成像

利用拓普瑞H2在線式紅外熱成像儀對1#、2#、3#、4#相變調溫面料降溫過程溫度進行記錄分析。

2 結果與分析

2.1 負載量及厚度

通過涂層整理前后面料重量的變化,使用增重法測定相變微膠囊在織物表面的負載量:

(1)

式中:Q為相變微膠囊負載量,%;w0為織物整理前重量,g;w1為整理后的重量,g;

通過式(1),計算出相變微膠囊負載量Q為62.6%。說明通過浸軋加熱壓可以使相變微膠囊有效的附著在純棉織物上。

通過YG(B)141D數學式數字式織物厚度儀測量相變調溫面料厚度。測量5次。分別為0.579、0.563、0.571、0.565、0.563 mm,平均值為0.568 mm。用同樣的方法測量沒有后整理的純棉面料,厚度分別為0.512、0.504、0.510、0.506、0.502 mm,平均值為0.506 mm。

2.2 熱學性能分析

圖3為相變微膠囊調溫面料的DSC曲線。從圖3中可以看出,曲線的特征峰對應著相變微膠囊調溫面料的放熱過程,相變溫度點為25.1 ℃。通過DSC儀器計算可得結晶相變焓值為42.17 J/g,DSC數據可以體現出覆著在面料上的相變微膠囊發生了明顯的相變過程且有一定的儲熱性能。通過導熱系數測量儀測出相變微膠囊調溫面料導熱系數為0.12 W/(m·K)。相變微膠囊調溫面料的相變區間與潛熱及導熱系數的測試結果匯總如表1所示。

圖3 相變微膠囊調溫面料的DSC曲線Fig.3 DSC curve of phase change microcapsule thermostat fabrics

表1 相變微膠囊調溫面料熱學性能Tab.1 Thermal properties of phase change microcapsule thermostat fabrics

2.3 紅外熱成像分析

利用紅外熱成像儀記錄1#、2#、3#、4#相變調溫面料在低溫環境下的溫度變化情況。1#、2#、3#、4#相變調溫面料50 s時刻的紅外熱成像圖如圖4所示,在50 s時,非相變區域溫度已經接近環境溫度在8 ℃左右,而相變區域由于相變材料的存在溫度維持在25 ℃左右。

圖4 不同散點數量相變調溫面料的紅外熱成像Fig.4 Infrared thermal imaging of fabrics with different number of scatter points

圖5為1#、2#、3#、4#相變調溫面料溫度隨時間變化的曲線。從圖5中可以看出,在40～80 s時間段內1#、2#、3#、4#面料的溫度依次升高。說明隨著散點數量的增加,相變溫度區間內的平均溫度略微升高,即相變調溫面料的保溫效果變好。

圖5 不同散點數量的面料溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve of fabrics with different numbers of scattered points

這是由于1#、2#、3#、4#相變調溫面料相變區域隨著散點數量的增加,導致相變區域與非相變區域的傳熱面積增加,并且相變區域的相變微膠囊更加均勻地分布在整個相變調溫面料中,所以在40～80 s 時間段內相變區域將更多的熱量傳遞給非相變區域而使得相變調溫面料整體的平均溫度增加。

3 微膠囊調溫面料有限元模擬

本文利用Ansys有限元軟件對相變調溫面料傳熱過程進行分析,對于相變材料的相變過程采用焓值法進行求解。

3.1 幾何模型的建立及材料定義

利用有限元軟件進行模擬仿真首先需要構建有限元模型,建立有限元模型需要根據實際模型的尺寸創建分析對象的幾何模型。將相變調溫面料中實驗模型簡化為長10 cm、寬10 cm、高0.05 cm的長方體,中間方形部分為相變微膠囊部分,剩余部分為純棉織物,如圖6所示。分別對1#、2#、3#、4#面料建立幾何模型,并根據相變微膠囊調溫面料的表征數據對模型進行賦予,數值如表2所示。

圖6 不同分散率的有限元模型Fig.6 Finite element model of different dispersion rates

表2 材料熱物理性質Tab.2 Thermophysical properties of materials

3.2 網格劃分及施加邊界條件

對于簡單模型一般采用系統自帶的網格劃分功能,Element Size選擇0.5 mm,1#、2#、3#、4#模型網格數量分別為286891、292504、299023、300657。

由于相變調溫面料熱量傳遞主要是熱傳導和熱對流,根據傳熱分析對模型施加載荷和約束。施加邊界條件初始溫度為50 ℃,打開自動時間步,步長為10 s。施加熱對流系數載荷,熱對流系數6.46 W/(m2·K),環境溫度8 ℃。同時將Analysis Setting分支中Nonlinear Controls的非線性搜索打開。

3.3 仿真結果及分析

通過構建幾何模型、材料賦予、網格劃分、施加載荷等步驟,最后仿真模擬出1#、2#、3#、4#相變調溫面料的溫度變化,如圖7所示。圖7中可以看出不同散點數量的相變調溫面料溫度變化模擬結果曲線與實驗結果曲線趨勢一致,并且都隨著散點數量的增加平均溫度升高。

圖7 不同散點數量的面料溫度變化仿真曲線Fig.7 Simulation curves of fabric temperature change with different numbers of scattered points

綜合對比模擬結果與實驗結果計算相關系數R2,分別為0.955、0.948、0.964、0.951(保留3位小數),建立的相變調溫面料簡化模型具有較好的模擬精度,可通過此模型對相變調溫面料在不同條件下進行模擬與預測。

4 結 論

本文利用相變石蠟制備相變調溫面料,同時探究相變材料在調溫面料上不同分布對溫度的影響,得到主要結論如下:

a)利用界面聚合法制成的相變微膠囊整理到棉織物上獲得了具有調溫效果的相變調溫面料。并進一步探究相變區域散點數量變化對溫度的影響,結果表明隨著相變區域散點數量越多,相變區域與非相變區域的傳熱面積增加,相變調溫面料在相變過程中保溫效果提高。

b)通過有限元軟件建立了不同分布的相變調溫模型,同時模擬分析1#、2#、3#、4#相變調溫面料的傳熱過程,與實驗數據進行對比驗證了相變調溫模型。可通過此模型對相變調溫面料在不同條件下進行模擬仿真,為預測相變調溫面料的溫度變化提供了理論基礎及實際意義。