相變調(diào)溫面料中相變區(qū)域分布對(duì)溫度的影響

陳曉輝,張國(guó)慶,楊 罡,楊 柳,王雪琴

(浙江理工大學(xué),a. 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院);b. 材料科學(xué)與工程學(xué)院,杭州 310018)

在“碳達(dá)峰”“碳中和”及能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻的時(shí)代背景下,相變材料作為新型儲(chǔ)能材料被廣泛地運(yùn)用在建筑、能源、紡織等領(lǐng)域。Aguayo等[1]研究?jī)煞N不同相變微膠囊的結(jié)構(gòu)特性對(duì)水泥空隙結(jié)構(gòu)的影響。Jilte等[2]采用雙層納米顆粒增強(qiáng)相變材料改進(jìn)電池模塊配置,在40 ℃的環(huán)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(shí)吸收或釋放熱量這一特性可以將相變材料應(yīng)用在紡織領(lǐng)域,使得紡織面料具有雙向調(diào)溫功能。根據(jù)相變材料的相變形式、相變溫度、化學(xué)組成等特性,將相變材料與面料結(jié)合制成的服裝應(yīng)用在不同領(lǐng)域,如寒冷環(huán)境中的防寒手套[3]、防寒服[4],高溫環(huán)境中的熱防護(hù)服[5]、消防服[6]等。

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

隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷進(jìn)步,利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行宏觀途徑的熱傳遞模擬仿真,優(yōu)化設(shè)計(jì)并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果方興未艾[11]。數(shù)值模擬可以得出相應(yīng)的仿真結(jié)果,達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程優(yōu)化、節(jié)約成本的目的。如建筑領(lǐng)域中模擬仿真橋梁的極限壓力來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)流程,紡織領(lǐng)域中模擬子彈射擊防彈背心過(guò)程進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在研究面料的傳熱過(guò)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(yàn)證了仿真的科學(xué)性。

目前關(guān)于相變調(diào)溫面料設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中的研究主要集中在不同相變材料用量、后整理工藝優(yōu)化等領(lǐng)域。關(guān)于如何優(yōu)化設(shè)計(jì)相變材料的分布,同時(shí)利用有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少。本文主要是將石蠟作為相變材料,通過(guò)后整理工藝制備不同相變區(qū)域分布的相變調(diào)溫面料。利用熱紅外成像儀器記錄分析不同散點(diǎn)分布的相變調(diào)溫樣品溫度變化,同時(shí)利用有限元軟件構(gòu)建不同散點(diǎn)相變調(diào)溫模型,并驗(yàn)證不同散點(diǎn)分布相變調(diào)溫模型溫度變化。該研究可為相變調(diào)溫面料的優(yōu)化設(shè)計(jì)及在實(shí)際環(huán)境中的調(diào)溫效果進(jìn)行預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

1 相變調(diào)溫面料的制備與測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料:相變石蠟(標(biāo)號(hào)33,工業(yè)級(jí),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(xué)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(shí)驗(yàn)儀器:電子天平(JD210-4P,沈陽(yáng)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(fā)展有限公司);差示掃描量熱儀(DCS Q2000,北京五洲東方科技發(fā)展有限公司);導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x(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(shù)字式織物厚度儀(YG(B)141D,溫州際高檢測(cè)儀器有限公司);電熱恒溫鼓風(fēng)烘燥機(jī)(DHG-9070A,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司);平板硫化機(jī)(25T,湖州順力橡膠機(jī)械有限公司)。

1.2 相變調(diào)溫面料的制備及分布設(shè)計(jì)

相變調(diào)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(jìn)行混合攪拌30 min制備成相變微膠囊。隨后將織物充分浸潤(rùn)在混合液中,利用隔熱薄膜將充分浸潤(rùn)的織物放置其中,用平板硫化機(jī)進(jìn)行充分熱壓。最后將織物放入烘箱中烘干成相變調(diào)溫織物。

在保證相變微膠囊區(qū)域與非相變微膠囊區(qū)域面積相同的情況下,分別制作1、3、5、7散點(diǎn)數(shù)量的相變調(diào)溫面料,并標(biāo)記為1#、2#、3#、4#面料,示意圖如圖1所示。

圖1 不同散點(diǎn)的相變調(diào)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(diào)溫面料在降溫過(guò)程中的調(diào)溫效果,將冰袋放在保溫盒的4個(gè)角落,實(shí)驗(yàn)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(jì)測(cè)量中心位置溫度為8 ℃,用冰袋和保溫盒自制的寒冷環(huán)境可以保證溫度短時(shí)間內(nèi)恒定,同時(shí)環(huán)境的空氣流動(dòng)小,減少對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

實(shí)驗(yàn)步驟:首先將相變調(diào)溫面料放在60 ℃的烘箱內(nèi)加熱3 min,緊接著將面料放置在保溫盒中并利用紅外測(cè)溫儀記錄降溫過(guò)程中平均溫度的變化。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 相變微膠囊負(fù)載量測(cè)試

為了定量分析面料上相變微膠囊的負(fù)載量,分別取相變微膠囊調(diào)溫面料和純棉機(jī)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(jìn)行稱重3次取平均值,計(jì)算相變微膠囊調(diào)溫面料和純棉機(jī)織面料重量的差值。純棉機(jī)織物面料和相變微膠囊調(diào)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(diào)溫面料對(duì)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(shù)學(xué)式織物厚度儀對(duì)相變調(diào)溫微膠囊面料厚度進(jìn)行測(cè)量,為后續(xù)有限元模擬仿真中建立模型提供數(shù)據(jù)支持。該儀器執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》。具體操作步驟:首先在無(wú)試樣條件下進(jìn)行試驗(yàn),選擇壓腳面積2000 mm2、加壓壓力1000 Pa、加壓時(shí)間 10 s 后清零。將本實(shí)驗(yàn)樣品正面放置在儀器上,保證樣品表面無(wú)褶皺,加壓10 s后讀取數(shù)據(jù)后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算織物厚度。

1.3.3 儲(chǔ)熱性能

稱取相變微膠囊調(diào)溫一定質(zhì)量面料,利用差示掃描量熱儀(DSC)對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)熱性能測(cè)試。測(cè)試溫度區(qū)間為0～50 ℃,升溫速率為10 ℃/min,氮?dú)獗Ｗo(hù)。

1.3.4 導(dǎo)熱性能

利用TC300導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x對(duì)相變微膠囊調(diào)溫面料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試與分析。將準(zhǔn)備好的待測(cè)試樣進(jìn)行濕熱平衡,再選擇合適的探頭對(duì)織物進(jìn)行測(cè)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(duì)1#、2#、3#、4#相變調(diào)溫面料降溫過(guò)程溫度進(jìn)行記錄分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 負(fù)載量及厚度

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

(1)

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

通過(guò)式(1),計(jì)算出相變微膠囊負(fù)載量Q為62.6%。說(shuō)明通過(guò)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(guò)YG(B)141D數(shù)學(xué)式數(shù)字式織物厚度儀測(cè)量相變調(diào)溫面料厚度。測(cè)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(cè)量沒(méi)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(xué)性能分析

圖3為相變微膠囊調(diào)溫面料的DSC曲線。從圖3中可以看出,曲線的特征峰對(duì)應(yīng)著相變微膠囊調(diào)溫面料的放熱過(guò)程,相變溫度點(diǎn)為25.1 ℃。通過(guò)DSC儀器計(jì)算可得結(jié)晶相變焓值為42.17 J/g,DSC數(shù)據(jù)可以體現(xiàn)出覆著在面料上的相變微膠囊發(fā)生了明顯的相變過(guò)程且有一定的儲(chǔ)熱性能。通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)出相變微膠囊調(diào)溫面料導(dǎo)熱系數(shù)為0.12 W/(m·K)。相變微膠囊調(diào)溫面料的相變區(qū)間與潛熱及導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖3 相變微膠囊調(diào)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(diào)溫面料熱學(xué)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(diào)溫面料在低溫環(huán)境下的溫度變化情況。1#、2#、3#、4#相變調(diào)溫面料50 s時(shí)刻的紅外熱成像圖如圖4所示,在50 s時(shí),非相變區(qū)域溫度已經(jīng)接近環(huán)境溫度在8 ℃左右,而相變區(qū)域由于相變材料的存在溫度維持在25 ℃左右。

圖4 不同散點(diǎn)數(shù)量相變調(diào)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(diào)溫面料溫度隨時(shí)間變化的曲線。從圖5中可以看出,在40～80 s時(shí)間段內(nèi)1#、2#、3#、4#面料的溫度依次升高。說(shuō)明隨著散點(diǎn)數(shù)量的增加,相變溫度區(qū)間內(nèi)的平均溫度略微升高,即相變調(diào)溫面料的保溫效果變好。

圖5 不同散點(diǎn)數(shù)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(diào)溫面料相變區(qū)域隨著散點(diǎn)數(shù)量的增加,導(dǎo)致相變區(qū)域與非相變區(qū)域的傳熱面積增加,并且相變區(qū)域的相變微膠囊更加均勻地分布在整個(gè)相變調(diào)溫面料中,所以在40～80 s 時(shí)間段內(nèi)相變區(qū)域?qū)⒏嗟臒崃總鬟f給非相變區(qū)域而使得相變調(diào)溫面料整體的平均溫度增加。

3 微膠囊調(diào)溫面料有限元模擬

本文利用Ansys有限元軟件對(duì)相變調(diào)溫面料傳熱過(guò)程進(jìn)行分析,對(duì)于相變材料的相變過(guò)程采用焓值法進(jìn)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(jìn)行模擬仿真首先需要構(gòu)建有限元模型,建立有限元模型需要根據(jù)實(shí)際模型的尺寸創(chuàng)建分析對(duì)象的幾何模型。將相變調(diào)溫面料中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化為長(zhǎng)10 cm、寬10 cm、高0.05 cm的長(zhǎng)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(duì)1#、2#、3#、4#面料建立幾何模型,并根據(jù)相變微膠囊調(diào)溫面料的表征數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行賦予,數(shù)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(zhì)Tab.2 Thermophysical properties of materials

3.2 網(wǎng)格劃分及施加邊界條件

對(duì)于簡(jiǎn)單模型一般采用系統(tǒng)自帶的網(wǎng)格劃分功能,Element Size選擇0.5 mm,1#、2#、3#、4#模型網(wǎng)格數(shù)量分別為286891、292504、299023、300657。

由于相變調(diào)溫面料熱量傳遞主要是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流,根據(jù)傳熱分析對(duì)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(dòng)時(shí)間步,步長(zhǎng)為10 s。施加熱對(duì)流系數(shù)載荷,熱對(duì)流系數(shù)6.46 W/(m2·K),環(huán)境溫度8 ℃。同時(shí)將Analysis Setting分支中Nonlinear Controls的非線性搜索打開。

3.3 仿真結(jié)果及分析

通過(guò)構(gòu)建幾何模型、材料賦予、網(wǎng)格劃分、施加載荷等步驟,最后仿真模擬出1#、2#、3#、4#相變調(diào)溫面料的溫度變化,如圖7所示。圖7中可以看出不同散點(diǎn)數(shù)量的相變調(diào)溫面料溫度變化模擬結(jié)果曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線趨勢(shì)一致,并且都隨著散點(diǎn)數(shù)量的增加平均溫度升高。

圖7 不同散點(diǎn)數(shù)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(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算相關(guān)系數(shù)R2,分別為0.955、0.948、0.964、0.951(保留3位小數(shù)),建立的相變調(diào)溫面料簡(jiǎn)化模型具有較好的模擬精度,可通過(guò)此模型對(duì)相變調(diào)溫面料在不同條件下進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)。

4 結(jié) 論

本文利用相變石蠟制備相變調(diào)溫面料,同時(shí)探究相變材料在調(diào)溫面料上不同分布對(duì)溫度的影響,得到主要結(jié)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(diào)溫效果的相變調(diào)溫面料。并進(jìn)一步探究相變區(qū)域散點(diǎn)數(shù)量變化對(duì)溫度的影響,結(jié)果表明隨著相變區(qū)域散點(diǎn)數(shù)量越多,相變區(qū)域與非相變區(qū)域的傳熱面積增加,相變調(diào)溫面料在相變過(guò)程中保溫效果提高。

b)通過(guò)有限元軟件建立了不同分布的相變調(diào)溫模型,同時(shí)模擬分析1#、2#、3#、4#相變調(diào)溫面料的傳熱過(guò)程,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了相變調(diào)溫模型?？赏ㄟ^(guò)此模型對(duì)相變調(diào)溫面料在不同條件下進(jìn)行模擬仿真,為預(yù)測(cè)相變調(diào)溫面料的溫度變化提供了理論基礎(chǔ)及實(shí)際意義。