相变调温面料中相变区域分布对温度的影响

陈晓辉,张国庆,杨 罡,杨 柳,王雪琴

(浙江理工大学,a. 纺织科学与工程学院(国际丝绸学院);b. 材料科学与工程学院,杭州 310018)

在“碳达峰”“碳中和”及能源问题日益严峻的时代背景下,相变材料作为新型储能材料被广泛地运用在建筑、能源、纺织等领域。Aguayo等[1]研究两种不同相变微胶囊的结构特性对水泥空隙结构的影响。Jilte等[2]采用双层纳米颗粒增强相变材料改进电池模块配置,在40 ℃的环境下电池温度能维持在46 ℃以下。利用相变材料随着温度变化时吸收或释放热量这一特性可以将相变材料应用在纺织领域,使得纺织面料具有双向调温功能。根据相变材料的相变形式、相变温度、化学组成等特性,将相变材料与面料结合制成的服装应用在不同领域,如寒冷环境中的防寒手套[3]、防寒服[4],高温环境中的热防护服[5]、消防服[6]等。

相变材料在纺织领域应用过程中,主要存在相变材料泄露、服装服用性能差等一系列问题。而针对相变材料的稳定性问题,目前最为普遍的做法是利用微胶囊技术[7]、纺丝法[8]、中空纤维填充法[9]对相变材料进行封装固定。后整理法是将相变微胶囊通过后整理制成调温纺织品的方法,是在生产实践中最简易快速的一种方法,且其流程成本较低。所以后整理法应用较为广泛,后整理法制备相变微胶囊调温面料主要有浸轧法、涂层法等[10]。

随着计算机水平的不断进步,利用计算机软件进行宏观途径的热传递模拟仿真,优化设计并预测实验结果方兴未艾[11]。数值模拟可以得出相应的仿真结果,达到对实验设计过程优化、节约成本的目的。如建筑领域中模拟仿真桥梁的极限压力来指导设计流程,纺织领域中模拟子弹射击防弹背心过程进一步优化设计方案。在研究面料的传热过程中Peijian 等[12]、孙亚博等[13]、张洁等[14]使用建模软件建立平面织物模型,基于有限元法模拟仿真,深入探究了织物的传热性能并验证了仿真的科学性。

目前关于相变调温面料设计生产过程中的研究主要集中在不同相变材料用量、后整理工艺优化等领域。关于如何优化设计相变材料的分布,同时利用有限元软件进行优化设计的研究较少。本文主要是将石蜡作为相变材料,通过后整理工艺制备不同相变区域分布的相变调温面料。利用热红外成像仪器记录分析不同散点分布的相变调温样品温度变化,同时利用有限元软件构建不同散点相变调温模型,并验证不同散点分布相变调温模型温度变化。该研究可为相变调温面料的优化设计及在实际环境中的调温效果进行预测提供理论基础。

1 相变调温面料的制备与测试

1.1 实验材料和仪器

实验材料:相变石蜡(标号33,工业级,浙江皇星化工股份有限公司);十二烷基苯磺酸钠(分析纯,天津科密欧化学试剂有限公司);聚丙烯酸酯(分析纯,上海吉至生化科技有限公司)。

实验仪器:电子天平(JD210-4P,沈阳龙腾电子有限公司);差示扫描量热仪(DCS Q2000,北京五洲东方科技发展有限公司);差示扫描量热仪(DCS Q2000,北京五洲东方科技发展有限公司);导热系数测量仪(TC300,西安夏溪电子科技有限公司);红外热成像仪(H2在线式成像仪,TOPRIE);数字式织物厚度仪(YG(B)141D,温州际高检测仪器有限公司);电热恒温鼓风烘燥机(DHG-9070A,上海精宏实验设备有限公司);平板硫化机(25T,湖州顺力橡胶机械有限公司)。

1.2 相变调温面料的制备及分布设计

相变调温面料的制备:首先将石蜡作为芯材分散在十二烷基苯磺酸钠乳液中,聚丙烯酸酯作为壁材,两者体积比2∶1进行混合搅拌30 min制备成相变微胶囊。随后将织物充分浸润在混合液中,利用隔热薄膜将充分浸润的织物放置其中,用平板硫化机进行充分热压。最后将织物放入烘箱中烘干成相变调温织物。

在保证相变微胶囊区域与非相变微胶囊区域面积相同的情况下,分别制作1、3、5、7散点数量的相变调温面料,并标记为1#、2#、3#、4#面料,示意图如图1所示。

图1 不同散点的相变调温面料示意Fig.1 Schematic diagram of phase change temperature regulating fabrics with different scatter points

为研究相变调温面料在降温过程中的调温效果,将冰袋放在保温盒的4个角落,实验样品放置在保温盒的中心位置以保证温度的均匀性。用温度计测量中心位置温度为8 ℃,用冰袋和保温盒自制的寒冷环境可以保证温度短时间内恒定,同时环境的空气流动小,减少对实验的影响。

实验步骤:首先将相变调温面料放在60 ℃的烘箱内加热3 min,紧接着将面料放置在保温盒中并利用红外测温仪记录降温过程中平均温度的变化。

1.3 测试与表征

1.3.1 相变微胶囊负载量测试

为了定量分析面料上相变微胶囊的负载量,分别取相变微胶囊调温面料和纯棉机织面料并将其裁剪成10 cm×10 cm的正方形,放在电子天平上进行称重3次取平均值,计算相变微胶囊调温面料和纯棉机织面料重量的差值。纯棉机织物面料和相变微胶囊调温面料样品的表面形貌照片如图2所示。

图2 纯棉面料与相变微胶囊调温面料对比Fig.2 Comparison of pure cotton fabric and phase change microcapsule thermostat fabric

1.3.2 织物厚度

利用YG(B)141D数学式织物厚度仪对相变调温微胶囊面料厚度进行测量,为后续有限元模拟仿真中建立模型提供数据支持。该仪器执行国家标准GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》。具体操作步骤:首先在无试样条件下进行试验,选择压脚面积2000 mm2、加压压力1000 Pa、加压时间 10 s 后清零。将本实验样品正面放置在仪器上,保证样品表面无褶皱,加压10 s后读取数据后根据标准计算织物厚度。

1.3.3 储热性能

称取相变微胶囊调温一定质量面料,利用差示扫描量热仪(DSC)对其进行储热性能测试。测试温度区间为0～50 ℃,升温速率为10 ℃/min,氮气保护。

1.3.4 导热性能

利用TC300导热系数测量仪对相变微胶囊调温面料导热系数进行测试与分析。将准备好的待测试样进行湿热平衡,再选择合适的探头对织物进行测试。

1.3.5 红外热成像

利用拓普瑞H2在线式红外热成像仪对1#、2#、3#、4#相变调温面料降温过程温度进行记录分析。

2 结果与分析

2.1 负载量及厚度

通过涂层整理前后面料重量的变化,使用增重法测定相变微胶囊在织物表面的负载量:

(1)

式中:Q为相变微胶囊负载量,%;w0为织物整理前重量,g;w1为整理后的重量,g;

通过式(1),计算出相变微胶囊负载量Q为62.6%。说明通过浸轧加热压可以使相变微胶囊有效的附着在纯棉织物上。

通过YG(B)141D数学式数字式织物厚度仪测量相变调温面料厚度。测量5次。分别为0.579、0.563、0.571、0.565、0.563 mm,平均值为0.568 mm。用同样的方法测量没有后整理的纯棉面料,厚度分别为0.512、0.504、0.510、0.506、0.502 mm,平均值为0.506 mm。

2.2 热学性能分析

图3为相变微胶囊调温面料的DSC曲线。从图3中可以看出,曲线的特征峰对应着相变微胶囊调温面料的放热过程,相变温度点为25.1 ℃。通过DSC仪器计算可得结晶相变焓值为42.17 J/g,DSC数据可以体现出覆着在面料上的相变微胶囊发生了明显的相变过程且有一定的储热性能。通过导热系数测量仪测出相变微胶囊调温面料导热系数为0.12 W/(m·K)。相变微胶囊调温面料的相变区间与潜热及导热系数的测试结果汇总如表1所示。

图3 相变微胶囊调温面料的DSC曲线Fig.3 DSC curve of phase change microcapsule thermostat fabrics

表1 相变微胶囊调温面料热学性能Tab.1 Thermal properties of phase change microcapsule thermostat fabrics

2.3 红外热成像分析

利用红外热成像仪记录1#、2#、3#、4#相变调温面料在低温环境下的温度变化情况。1#、2#、3#、4#相变调温面料50 s时刻的红外热成像图如图4所示,在50 s时,非相变区域温度已经接近环境温度在8 ℃左右,而相变区域由于相变材料的存在温度维持在25 ℃左右。

图4 不同散点数量相变调温面料的红外热成像Fig.4 Infrared thermal imaging of fabrics with different number of scatter points

图5为1#、2#、3#、4#相变调温面料温度随时间变化的曲线。从图5中可以看出,在40～80 s时间段内1#、2#、3#、4#面料的温度依次升高。说明随着散点数量的增加,相变温度区间内的平均温度略微升高,即相变调温面料的保温效果变好。

图5 不同散点数量的面料温度变化曲线Fig.5 Temperature change curve of fabrics with different numbers of scattered points

这是由于1#、2#、3#、4#相变调温面料相变区域随着散点数量的增加,导致相变区域与非相变区域的传热面积增加,并且相变区域的相变微胶囊更加均匀地分布在整个相变调温面料中,所以在40～80 s 时间段内相变区域将更多的热量传递给非相变区域而使得相变调温面料整体的平均温度增加。

3 微胶囊调温面料有限元模拟

本文利用Ansys有限元软件对相变调温面料传热过程进行分析,对于相变材料的相变过程采用焓值法进行求解。

3.1 几何模型的建立及材料定义

利用有限元软件进行模拟仿真首先需要构建有限元模型,建立有限元模型需要根据实际模型的尺寸创建分析对象的几何模型。将相变调温面料中实验模型简化为长10 cm、宽10 cm、高0.05 cm的长方体,中间方形部分为相变微胶囊部分,剩余部分为纯棉织物,如图6所示。分别对1#、2#、3#、4#面料建立几何模型,并根据相变微胶囊调温面料的表征数据对模型进行赋予,数值如表2所示。

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

表2 材料热物理性质Tab.2 Thermophysical properties of materials

3.2 网格划分及施加边界条件

对于简单模型一般采用系统自带的网格划分功能,Element Size选择0.5 mm,1#、2#、3#、4#模型网格数量分别为286891、292504、299023、300657。

由于相变调温面料热量传递主要是热传导和热对流,根据传热分析对模型施加载荷和约束。施加边界条件初始温度为50 ℃,打开自动时间步,步长为10 s。施加热对流系数载荷,热对流系数6.46 W/(m2·K),环境温度8 ℃。同时将Analysis Setting分支中Nonlinear Controls的非线性搜索打开。

3.3 仿真结果及分析

通过构建几何模型、材料赋予、网格划分、施加载荷等步骤,最后仿真模拟出1#、2#、3#、4#相变调温面料的温度变化,如图7所示。图7中可以看出不同散点数量的相变调温面料温度变化模拟结果曲线与实验结果曲线趋势一致,并且都随着散点数量的增加平均温度升高。

图7 不同散点数量的面料温度变化仿真曲线Fig.7 Simulation curves of fabric temperature change with different numbers of scattered points

综合对比模拟结果与实验结果计算相关系数R2,分别为0.955、0.948、0.964、0.951(保留3位小数),建立的相变调温面料简化模型具有较好的模拟精度,可通过此模型对相变调温面料在不同条件下进行模拟与预测。

4 结 论

本文利用相变石蜡制备相变调温面料,同时探究相变材料在调温面料上不同分布对温度的影响,得到主要结论如下:

a)利用界面聚合法制成的相变微胶囊整理到棉织物上获得了具有调温效果的相变调温面料。并进一步探究相变区域散点数量变化对温度的影响,结果表明随着相变区域散点数量越多,相变区域与非相变区域的传热面积增加,相变调温面料在相变过程中保温效果提高。

b)通过有限元软件建立了不同分布的相变调温模型,同时模拟分析1#、2#、3#、4#相变调温面料的传热过程,与实验数据进行对比验证了相变调温模型。可通过此模型对相变调温面料在不同条件下进行模拟仿真,为预测相变调温面料的温度变化提供了理论基础及实际意义。