（纺织工程专业论文）基于人体需求的相变纺织品的研究.pdf

一 心o ，一 气h r l j f c l a s s i f i e di n d e x ：t s l 0 1 3 u d c ：2 2 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho fp h a s ec h a n g e t e x t i l e sb a s e do nt h eh u m a n d e m a n d i n g c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： 2 h uc h u n h u a p r o f s u ny u c h a i m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t e x t i l ee n g i n e e r i n g n o v ，2 0 0 9 d e c ，2 0 0 9 h e b e iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y j ： - 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：专风者午 指导教师签名： 斗之灾 2 哟7 年，月6 日一z 7 年t 1 月形日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 口不保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：懈 指导教师签名：+ i 1 珉 、 l 二口p 罗年1 1 月多日2 驴净，f 月日 摘要 摘要 本文研究内容包括相交调温纺织品相变材料的选择，用于低温条件下相变调温 纺织品的人体需求分析，相变材料复配比的优化和面料性能对相交材料相变效果的 影响。 首先对相变材料的种类、性能等进行理论分析比较，根据相变调温纺织品的工 作原理及人体需要满足的条件，初步筛选出适宜的相变材料为石蜡烷烃，然后进一 步论述了石蜡烷烃的性质，根据石蜡烷烃的热物性性质找出了相变潜热大，相变温 度适宜的相变材料为石蜡偶数烷烃。 根据人体冬季舒适温度及服装传热学原理，分析了相变调温服装为保证人体舒 适温度需要的相变材料填加质量和相变温度范围。 在理想溶液的基础上，对正十六烷、正十八烷、正二十烷、正二十二烷进行了 复配实验，并做了各种复配比的升降温实验，确定了基于人体需要的用于低温条件 下穿着的相变调温纺织品的相变材料复配比。并进行了差示扫描量热分析( d s c ) 测 试，对做出的人体需求的相变材料的复配比实验进行了d s c 澳t 试分析，得出正十六 烷与正十八烷的混合物相变潜热较正十六烷和j 下二十烷、正十六烷和正二十二烷混 合物相变潜热大，正十六烷与正十八烷最佳复配比为0 2 ：o 8 。 最后研究面料性能对相变材料相变过程的影响。根据面料的性能对相变材料相 变过程变化情况，环境温度对相变材料包裹面料的温度变化情况，面料性能对不同 相变材料相变过程变化情况，不同面料组合对相变材料相变过程影响情况，指出相 变调温服装在具体应用情况下的面料选择与服装搭配。 关键词相变；纺织品；舒适；温度；调温：正烷烃 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h ep h a s ec h a n g em a t e r i a l s ，t e x t i l e st h e r m o s t a tc h o i c eo f m a t e r i a l s u s e di nl o wt e m p e r a t u r eb o d yn e e d sa n a l y s i s ，p h a s ec h a n g em a t e r i a l sr e 。o p t i m i z a t i o na n d f a b r i cp e r f o r m a n c er a t i oo nt h ep h a s ec h a n g em a t e r i a lp h a s ec h a n g ee f f e c t t h ef i r s t s t e pi s t o a n a l y z ea n dc o m p a r et h ek i n d so fp h a s ec h a n g em a t e r i a l s p e r f o m l a j l c ea n dt h e o r y a c c o r d i n gt op h a s ec h a n g et h e r m o s t a tw o r k so f t e x t i l ea n dt h e c o n d i t i o n sf o rp h a s ec h a n g er e q u i r e dt om e e t ，i ti ss c r e e n i n go u to fp h a s ec h a n g e m a t e r i a l s s u i t a b l ef o rp a r a f f i n , a n dt h e nd i s c u s s e dt h en a t u r eo ft h ep a r a f f i n a c c o r d i n gt o t h e l 锄a lp r o p e r t i e so fp a r a f f i ni d e n t i f ye v e na l k a n e sw h i c hh a v et h el a r g el a t e n th e a to f p h a s ec h a n g ea n dp h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r es u i t a b l ef o r t e x t i l e s a c c o r d i n g t oh u m a nc o m f o r tt e m p e r a t u r ea n dc l o t h i n gh e a tt r a n s f e rp r i n c i p l e sa tl o w t e m p e r a t u r e s ，i ta n a l y s i st h a tp h a s ec h a n g e t h e m o s t a tt e x t i l sm e e t i n gh u m a nc o m f o r tn e e d s s h o u l da c h i e v et h ew e i g h to ft h ep h a s ec h a n g em a t e r i a la n dp h a s e t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e r a n g e i na 1 1i d e a ls o l u t i o n ，ic a r r i yo u tt h ee x p e r i m e n t a lm i x t u r eo fn h e x a d e c a n e ，n o c t a d e c a n e n e i c o s a n ea n dn d o c o s a n e ，a n dh a sd o n eav a r i e t yo fc o m p l e xr a t i oo ft h eh e a t i n g a i l dc 0 0 1 i n ge x p e r i m e n t sa n dg e tc o m p l e xr a t i oo fp h a s ec h a n g em a t e r i a l s t h e nie a r r i y o u td i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) t e s t st om a k et h ec o m p l e xr a t i oo f t h ep h a s e c h a n g em a t e r i a l sa n da n a l y s i st h a tm i x t u r eo fn - h e x a d e c a n ea n dn 。o c t a d e c a n eh a s m o r e l a t e n th e a to fp h a s et r a n s i t i o nt h a nt h em i x t u r e so fn 。h e x a d e c a n ea n dn - e l c o s a n e o r n h e x a d e c a i l e 锄dn d o c o s a n e t h em i x t u r eo fn h e x a d e c a n ea n dn 。d o c o s a n eh a so p t i m u m r e c o v e r yr a t i oo f 0 2 ：0 8 f i n a l l y i ts t u d i e st h ef a b r i cp e r f o r m a n c eo fp h a s ec h a n g ep r o c e s s e s a c c o r d i n g t ot h e p e r f o r m a n c eo fp h a s ec h a n g e m a t e r i a li nt h ep r o c e s so fc h a n g e ，t h ee n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r eo n t h ep h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ep h a s ec h a n g em a t e r i a l s ，t h e t e m p e r a t u r ec h a n g e si np a r c e l f a b r i c ，f a b r i cp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tp h a s ec h a n g e m a t e r i a ic h a n g e si np h a s et r a n s i t i o np r o c e s sa n dd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so fp h a s ec h a n g e m a t e r i a li np h a s et r a n s f o r m a t i o n ，p o i n t so u tt h a tp h a s ec h a n g et h e r m o s t a tc l o t h e ss e l e c ti n s p e c i f i ca p p l i c a t i o nc i r c u m s t a n c e sa n dc l o t h ew i t hf a b r i cc h o i c e s k e y w o r d sp h a s ec h a n g e ；t e x t i l e s ；c o m f o r t a b l e ；t e m p e r a t u r ea d j u s t m e n t ；a l k a n e s u p 。 t 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录- ：i i i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题的科学意义2 1 3 课题的应用前景2 1 4 相变材料在调温服装中的应用现状3 1 4 1 国外研究现状4 1 4 2 国内研究现状4 1 5 本课题研究的主要内容黧5 m 第2 章相变材料的选择7 2 1 概述一7 2 2 相变原理和相变材料的种类特性聊 2 2 1 相变原理7 2 2 2 相变材料的分类8 2 2 3 各种固液相变贮能材料的特性：9 2 3 调温相变纺织品1 2 2 3 1 调温相变纺织品的工作原理1 2 2 3 2 影响调温效果的因素1 3 2 3 3 相变调温纺织品使用时应考虑的因素1 4 2 4 相变调温纺织织品相变材料的选择1 4 2 4 1固液相变材料的比较1 4 2 4 2 选取相变调温纺织品内相变材料需要满足的条件1 5 2 4 3 石蜡的性质1 5 2 4 4 烷烃物理性质一1 6 2 4 5 石蜡烷烃相变材料的选择一2 0 2 5 本章小节一一2 l 第3 章低温条件下相变调温纺织品的人体需求分析一2 3 3 1 概述一一2 3 3 2 舒适性定义一。一一2 3 i i ! 目录 温度性舒适条件2 4 1 人体的热舒适方程式2 4 2 人体的热舒适图2 4 3 人体的热湿舒适条件2 5 服装微气候厶2 6 衣内微气候温度对人体热平衡的影响2 7 1 衣内微气候区的温度分布2 7 2 衣下微气候2 7 3 5 3 温度分布对热平衡的影响。2 8 3 6 低温环境对人体的影响2 8 3 6 1 冷环境对人体的影响2 8 3 7 人体舒适温度的确定。2 9 3 8 相变调温服装热量需求分析3 0 3 8 1 人体散热。3 0 3 8 2 服装热阻31 3 8 3 服装克罗值3 1 3 8 4 人体面积计算公式3l 3 8 5 人体服装覆盖面积。3 2 3 8 6 计算条件一3 2 3 8 7 相变材料产热量和用量的分析。3 3 3 9 相变调温服装的温度需求分析3 4 3 9 1 单一服装层的传热公式3 4 3 9 2 多层服装的导热3 5 3 9 3 相变温度需求分析3 6 3 1 0本章小结3 9 第4 章相变材料的复配及优化4 l 4 1 概述4 1 4 2 理论最佳复配比的确定4 l 4 2 1 相变材料复配方案的确定4 1 4 2 2 理想溶液模型4 2 4 3 实验的确定及实施4 6 4 3 1 实验仪器4 6 4 3 2 实验药品。4 6 4 3 3 单一烷烃实验4 7 i v | t 0 。) - 河北科技人学硕士学位论文 4 3 4 复配实验4 9 4 3 5 结论5 6 4 4 差式扫描( d s c ) 实验5 6 4 4 1 实验方案5 7 4 4 2差示扫描量热( d s c ) 分析5 7 4 4 3 结论6 0 4 5 理论值与实验值的分析6 1 4 6 本章小结6 l 第5 章面料性能对相变材料相变效果的影响6 2 5 1实验准备。6 2 5 1 1 实验仪器。6 2 5 1 2 实验用布6 2 5 1 3 织物厚度测试。6 3 5 1 4 保暖率6 3 5 1 5 织物的热传导率“：6 3 5 2 实验方案确定6 3 5 2 1 测试面料性能的影响6 4 5 2 2 测试环境温度的影响。6 4 5 2 3 测试不同相变材料的影响6 4 5 2 4 测试面料组合形式的影响6 4 5 3 面料性能对相变材料相变过程的影响6 4 5 3 1 实验步骤6 4 5 3 2 结论6 6 5 4 环境温度对相变材料相变过程的影响6 6 5 4 1 实验步骤6 6 5 4 2 结 仑6 9 5 5 面料性能对不同相变材料的相变过程6 9 5 5 1 实验步骤6 9 5 5 2 结论7 1 5 6 面料组合形式对相变材料相变过程的影响7 1 5 6 1 实验条件7 1 5 6 2 内层相同外层不同面料对相变过程的影响7 1 5 6 3 外层相同内层不同面料对相变过程的影响7 3 5 6 4 内外层面料互换对相变过程的影响7 4 v 目录 5 7 本章小结7 6 第6 章相变调温纺织品设计构想7 7 6 1高温炎热条件下相变调温服装的应用7 7 6 1 1 相变调温服装面料选择。7 7 6 1 2 相变服装款式结构设计7 7 6 1 3 相变材料的选择7 7 6 2 低温条件下相变调温服装的应用7 7 6 2 1 相变调温服装面料选择7 7 6 2 2 相变服装款式结构设计7 8 6 2 3 相变材料的选择7 8 6 3 用于鞋类7 8 6 a 用于特殊防护作用的相变调温纺织品7 8 6 4 1 用于消防服7 8 6 a 2 用于野外工作服7 9 6 4 3 用于低温环境的工作服7 9 结 沦8 0 l j f l录8 2 参考文献8 5 攻读硕士学位期间所发表的论文8 9 致i 射9 0 v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 2 0 世纪7 0 年代的世界能源危机以来，贮能技术的基础和应用研究在发达国家迅 速崛起，并得到不断发展，现已成为开发新能源、协调能量供求在时间和强度的不 匹配、提高能源利用率的重要技术之一，如在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废 热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域【l 】。在贮能技术的研究 中，贮能材料的开发是最为人们所关注的。 服装是一种便捷的和最典型的围护结构，但随着人们涉足领域的不断扩展，环 境恶劣使得人们难以靠普通的服装来抵御环境温度不适宜带来的伤害。因此人们依 靠提高外界条件来提高人体抵御环境的能力。人体提高服装保暖性的途径，可以提 高服装系统的绝热性，也可以设法在这一保暖系统中加入供热材料，补充人体的热 量【4 1 。 提高服装系统绝热性的方法是采用隔热保温材料。即采用增大人体一服装 环境系统传导热阻、对流换热热阻、辐射换热热阻来减少人体散热量，以阻止 身体所发出的热逃逸，实现保温。如增加服装层间的空气孔隙，利用静止空气层热 阻高的特性，采用含静止空气数量多的中空纤维、羽绒等作为服装材料；采用金属 化织物，将人体发射的红外线反射回来。此类保温材料属传统的消极式被动保温材 料。 加入供热材料的方法，一是加入产热保温材料，采用电能一热能转化、化学 能热能转化、光能热能转化等方式使服装产生额外的热量，来控制人体向 环境散失热流量。此类材料属积极式的主动保温材料。电能一热能转化式保暖方 法，电热服装具有重量轻、热量容易控制、发热体容易加工等优点，但这种保暖方 式是通过消耗电能来产生热量，需要有稳定的电源，而电池存在低温下放电反应缓 慢、锂电池等高性能电池价格高、变通电池重量重、供电时间短等缺点，这极大限 制了这种保暖服的使用，这类材料在服装保暖方面的广泛使用有待于供电形式的有 效改进【4 1 。化学能热能转化过程比较复杂且使用不方便1 2 , 3 】，产热的热量控制比 较困难、可发热时间较短，且不可重复使用。光能一热能转化需要在自然光、白 炽灯以及红外线等的照射下进行光能转化【6 j ，具有局限性。 二是加入蓄热保温材料。采用热水袋等显热蓄热方式、相变材料( p c m ) 等潜热 蓄热方式的保温材料。此类材料也属积极式的主动保温材料。对于相变材料而言， 由于可以设定相转变点，在一定时段实行一定温度范围内的温度恒定。故可以认为 河北科技人学硕十学位论文 是积极式的智能保温材料。相比之下，相变材料的潜热蓄热是利用材料在相变时吸 热或放热来储能或释能的，这种材料能量密度较高，所用装置简单、体积小、设计 灵活、使用方便且易于管理。在相变储能过程中材料近似恒温，因此具有可智能化 控制温度，产热量基本不受环境条件影响的特点，并且这种材料可以多次重复使用。 因此主动式保温材料具有实际发展前途。 相变智能调温调温纺织品就是为了使人身能够适应恶劣的环境温度而研制的， 作为积极式保暖服装材料，是解决特殊场合下的保暖问题的有效途型郢j 。 1 2 课题的科学意义 热能储存能解决热能供求之间在时间和空间上的不匹配矛盾，因而是提高能源 利用率的一种能源新技术，其特点是可以将暂时不用或多余的热能通过一定的介质 储存起来，需要时再释放利用。热能储存技术可以广泛应用于具有间断性的能源系 统如太阳能利用系统、风电系统以及工业余热系统。 相变材料作为一种新型节能环保材料，可用于被动式太阳房、工业余热回收、 电子产品热保护、智能调温纤维、储能调温建筑材料等领域。 相变的过程是一个等温或近似等温，并伴有大量的能量吸收或释放过程，正是 这一特性构成了相变储能材料具有广泛应用的理论基础。人类赖以生存的环境复杂， 条件多变。人自身的调节功能使得人类无法在大多数的环境条件下得以生存。服装 的温度调节功能，尤其是保暖功能对人类的生存至关重要。传统纺织品的保暖性能 是固定的，其保暖功能不能随环境的变化及人体不同的需求自动调节。如冬季进行 早锻炼，由温暖的室内突然到达寒冷的室外，如果所穿的运动衣此时能够自动放热， 等人体运动产生大量热量后，运动衣又能够自动将这部分多余的热量吸收，则意义 重大。基于人体需求的相变纺织品就是在这种指导思想上提出来的。 相变储能材料是近些年开发的一种新材料，它利用某些物质在相变过程中吸能 或释能的特点，实现能量储存和利用。相变材料可作为能量存储器，这种特性在节 能，温度控制等领域有着极大的意义，相变材料及其应用成为广泛的研究课题。近 年来应用于众多领域，在纺织领域，对相变储能材料的研究是极为活跃的一个方向。 1 3 课题的应用前景 这种具有储热能力的材料，已应用于日常生活用品中( 如保暖服装、电器防热外 壳、保鲜盒、保温盒、取暖器、储能炊具等等) ，另外尚有很多的其它用途。 在纺织服装方面，进入9 0 年代，服装舒适性领域的研究已经融入了信息技术、 人工智能等最新科技特征。相变智能纺织品是其重要的研究领域之一。相变智能纺 织品是利用相变过程中相变材料能够吸收或释放大量的热量，但能够使温度保持恒 定的特点，研究人体所处坏境发生突变时，相变纺织品通过自动贮热或放热所形成 2 第1 章绪论 的热缓冲作用。相变纺织品的热缓冲作用体现在在环境突变时，纺织品在一定时间 内可以保持人体与服装这一微小气候内的温度基本恒定。从而可以防止热应激，在 极端环境条件下满足人体舒适性的需要。 利用这一特性，可以开发高技术功能性纺织品，相变材料在纺织品上的应用方 面有： 在服饰方面，制成滑雪服、滑雪靴、内衣、运动服等。可制成绷带、靴、手套、 袜和帽等产品【7 , 2 0 , 6 5 】，也可制成床罩、床单和毛毯等床上用品。 用于手术服、床上材料和精心护理用医疗卫生用品，对病人的病情起到良好的辅 助治疗作用。 在理疗上，制成多种温度段和适合人体部位形态的热敷袋，还制成保持在舒适温 度的被褥，以及用于丧失体温调节机能的病人服装等。相变调温织物用做医用恒温 绷带、伤口敷料，可防止局部温度过高，防止出汗引起伤口感染，影响伤口愈合， 也可防止冻伤。 用于头盔、膝盖护垫、肘部衬垫等保护性装置中，可以适当地控制这些部位汗 液的产生与排放。调节身体局部温度的平衡，以减少湿热的产生，从而为人体的这 些部位提供适当的冷却度。 将蓄热调温纺织品作为汽车内衬，可以起到温度调节作用。 在美国，相变调温纺织品已经用于制造飞行保暖手套，军用冷或热气候作战靴、 潜水服、冬季服装、海军陆战队微气候冷却服装等。除此之外，它还能用于红外线 伪装服，相变调温纺织品能缓冲人体散发的热，降低热红外辐射。 如用于消防服、救生服等特殊功能的防护服。相变材料的吸放热作用吸收人体 热量降低体温或是放出热量补充人体热量，能有效的缓解外界恶劣环境带来的对人 体的伤害。在极端条件下( 如冰凉的海水中救生) 延长人类生存的时间，等待救援。 对于在高寒区工作的军警等特殊群体，采用积极式智能保温相变材料，可以减 少单兵负荷、提高单兵的战斗力。此外，冷库工作人员反复交替出入冷热环境的人 群，也适合于使用相变调温纺织品【5 引。 1 4 相变材料在调温服装中的应用现状 相变调温纺织品是一种纺织品表面或纤维内含有相变物质，这种相变材料遇冷 后发生液固相变，放出热量；遇热后发生固液相变，吸收热量，从而根据 外界环境温度的变化在一定的温度范围内可以自由调节纺织品内部温度的功能，即 当外界环境温度升高时，可以储存多余的热量，使纺织品内部温度升高相对较低； 当外界环境温度下降时，可以释放能量，使纺织品内部温度降低相对较少，做成服 装后比传统纺织品更具舒适性。相变调温纺织品研制所使用的相变物质的相变温度 3 河北科技大学硕士学位论文 很多公司已经开始将这类材料用于新产品的开发中。把相变材料应 中在国外已经试制成功，某些产品已经产业化，而在国内还处于尝 试和研究阶段l ，j 。 1 4 1 国外研究现状 1 9 7 1 年，h a n s e n r h 1 8 】申请美国专利，将c 0 2 之类的气体先溶解到各种溶剂中， 然后填充到纤维的中空部分。在织造前，利用特殊方法将中空部分密封，使纤维中 的c 0 2 等气体发生气液( 固) 相变，来达到保温的目的。 1 9 8 1 年，美国农业部南方实验室的v i g o 等人p j 将带有结晶水的无机固一液相变材 料c a c l 2 6 h 2 0 、s r c l 2 6 h 2 0 充填到人造丝和聚丙烯等中空纤维中。利用相变水合盐在 室温下发生的熔融和结晶来达到吸热和放热的目的，从而调节温度。但是经过反复 升降温后，无机盐便失去结晶水从纤维中析出，不再具有实用价值。2 0 世纪8 0 年代 中期，v i g o 、f r o s t 、b r u n o 等人开展了将聚7 , 2 醇整理在织物表面或浸渍在中空纤维 内部的系列研究工作【l o 】。通过研究发现，含有聚乙二醇的织物经过1 5 0 次加热和冷却 循环后，仍具有吸放热功能。但由于中空纤维的直径较粗，很难避免纤维表面沾有 聚乙二醇，所以工业化的推广价值也很小。 2 0 世纪8 0 年代中期，美国航空航天总署( n a s a ) 开始资助具有温度调节功能的纺 织品研究工作，计划用于宇航服中的工作手套。同一时期v i 9 0 等人【l l j 又将分子量为 5 0 0 80 0 0 的聚乙二醇和二羟甲基二羟基乙二脲( d m d h e u ) 等交联剂及催化剂一起 混合后制成均匀水溶液，再将棉、涤棉和羊毛织物等在溶液中浸渍，后处理后，得到 增重5 0 左右的织物，该类织物在旺5 0 范围内具有明显的吸放热效果。 美i n t r i a n g l e 公n 1 2 】在2 0 世纪9 0 年代初，合成了直径1 5 - - 4 0 1 a m 的微胶囊，这种微 胶囊具有吸放热作用，整理在织物表面就使织物具有了调节温度的功能。1 9 9 3 年 t r i a n g l e 公司申请了具有可逆蓄热特点纤维的专利，这种纤维是将石蜡类碳氢化合物 封入直径为1 0 - - 一1 0 o 岬的微胶囊中，然后与聚合物溶液一起纺丝制得的。1 9 9 7 年 o u t l a s t 公司和f r i s b y 公司采用这一技术生产出了腈纶纺织品，生产和销售含有蓄热调 温微胶囊的纤维、织物和泡沫，实现了微胶囊整理织物技术的商业化【l3 1 。这些织物 或纤维制成的服装能降低身体损失的热量，使人体处于舒适的状态。这种纺织品用 于保温内衣、毛毯、滑雪靴、夹克和运动袜等，现已在欧美等国家销售。也有公司将 蓄热微胶囊添加到织物表面，以此提高织物的保温性。 美国o u t l a s t 技术公司随后又将2 衄以上的蓄热调温泡沫生产技术授权于美国 f r i s b y 技术公司。日本和欧洲等工业发达国家也有同类研裂1 4 1 。 1 4 2 国内研究现状 4 第1 章绪论 我国f 1 2 0 世纪9 0 年代初开始蓄热调温纺织品的研究工作，现在已由理论研究逐 渐转向应用开发。 天津工业大学功能纤维研究所自1 9 9 3 年开始从事蓄热调温纤维的研究开发工 作，2 0 0 0 年底研究通过了对相变物质进行熔融复合纺丝，研制出了相变物质含量在 1 6 以上，单丝纤度5 d t e x 的蓄热调温纤维，该技术获得了国家发明专利【1 5 】。 天津工业大学马晓光副教授将相变材料聚乙二醇( p e g ) 以交联方式添加到织物 上，对整理后的织物的蓄热调温性能进行了研究，并探讨了影响这种织物热活性的 主要因素和该织物的物理机械性能。 天津工业大学功能纤维所将一定量的蓄热调温微胶囊与粘合剂、消泡剂混合均 匀，进行了用于纯棉、涤棉等织物的涂层整理研究。实验结果表明，涂层整理后的 织物具有明显热效应，其热阻值明显提高。但涂层整理后织物的风格受到影响，物 理机械性能、透气性能有所下降【1 4 】。 东华大学纺织学院李发学等人提出：在已开发出的基础上，通过复合与环境相 一致的相变材料，新型近红外伪装服能够吸收或释放大量潜热( 人体或探测仪发射 的热红外能量) ，就能使物体表面温度始终保持与环境温度一致，从而使这种新型 红外伪装服对于主、被动式热红外探测仪均具有伪装效果。 清华大学张寅平等人研制的医用降温服，是在衣服上面布置有多个有封口口袋， 使用时将降温袋装入降温服的口袋罩，利用相变潜热进行降温。 目前，相变材料在飞行保暖手套，军用冷或热气候作战靴，军用、民用潜水服、 冬服，海军陆战队微气候冷却服装、寝具，赛车服、头盔，服饰( 滑雪服、滑雪靴、 手套、袜类等) ，汽车内饰织物等均有应用。在理疗上，利用相变材料温度的调控性 能对病人的病情会起到良好的辅助治疗作用。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容是适合于人体需求的，在低温条件下适用的相变调温纺 织品的相变材料。首先根据人体需求找出适合的相变材料，然后对相变调温服装热 量需求和相变温度需求作出分析，接着对所选出的相变材料进行实验测试，并用差 示扫描分析方法，确定相变材料复配比的最优化方案。最后测试面料性能对相变材 料的相变过程的影响，并由此提出相变调温纺织品的面料选用和穿着相变调温纺织 品时内外层穿着服装的建议。 本文主要内容包括以下方面： ( 1 ) 对相变蓄热的理论、特点做详细的分析比较，根据人体需求的相变调温纺 织品需要满足的条件，找出适合于做相变调温纺织品的相变材料。 ( 2 ) 对人体舒适温度，人体服装传热方式详细分析，利用人体需求、纺织品传 5 河北科技人学硕士学位论文 原理确定人体需求的低温环境下相变调温服装的相变温度范围。 ( 3 ) 对所选出的相变材料进行复配，确定需求的相变温度范围的相变材料及不 比。 ( 4 ) 利用差示扫描量热分析( d s c ) 仪实验结果，分析相变材料的d s c 曲线特征数 验证复配实验，并依据相变潜热最大化原则，最终确定最佳复配比。 ( 5 ) 研究面料性能、环境条件、纺丝品应用状况对相变材料相变过程的影响。 相变调温服装选用的面料和在穿着相变调温纺织品时内外层服装搭配提出建 6 第2 章相变材料的选择 第2 章相变材料的选择 2 1 概述 相变材料具有储热密度大、储热容器体积小、热效率高等优点。在相变过程中， 相变材料以潜热形式从周围环境吸收热量或向环境释放大量热量，热的吸收量或释 放量比一般加热和冷却过程( 显热形式) 要大得多，而此时相变材料的温度保持不变。 在服装上应用时，相转变温度范围应和人体温度变化范围相似，以利于保持恒定的 皮肤温度。 为了选择应用于纺织品的最佳相变材料，必须明确纺织品对相变材料的要求， 分析相变的原理，相变材料的分类，各种相变材料的性质，相变材料的热力学知识。 并需要知道在应用于纺织品时，相变材料需要满足的条件，相变材料在纺织品中的 工作原理等知识。 本章的主要目的就是在分析相变的原理、各种相变材料的性质和人体需求对相 变材料的要求基础上，确定应用于纺织品的相变材料。 2 2 相变原理和相变材料的种类特性 2 2 1相变原理 2 2 1 1 相 相是物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。相与相之间有分界面，可用 机械的方法将它们分开。系统中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。系统 在某一热力学条件下，只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。系统的热力学条 件改变时，自由能会发生变化，相的结构也相应发生变化。 1 6 1 2 2 1 2 相变 不同相之间的相互转变称为相变，即随自由能变化而发生的相的结构的变化称 为相变。 相变过程：物质从一个相转变到另一个相的过程。 ( 1 ) 狭义的相变过程 相变前后化学组成不发生变化的过程，相变过程是个物理过程而不涉及化学反 应，如液体蒸发、咖石英与0 【磷石英间的转变。 ( 2 ) 广义的相变过程 包括过程前后相的组成发生变化的情况，相变过程可能有反应发生。 2 2 1 3 相变的分类 7 河北科技大学硕士学位论文 有以下几种： ( s o l i d ) 一气相( g a s ) ( 2 ) 从热力学角度划分 根据相变前后热力学函数的变化，可将相变分为一级相变、二级相变和高级相 变 一级相变：相变时两相的化学位相等，而化学位对温度及压力的一阶偏微分不 等的相变。伴随潜热的释放和体积的改变。如蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶 型转变属于此类。 一级相变两个特点： 1 ) 相变时的体积变化 液相转变为气相时气相的体积大于液相的体积。固相转变为液相时，对太多数 物质是熔解时体积增大，对少数物质是熔解时体积缩小。 2 ) 相变潜热 单位质量的物质由1 相转变为2 相时，所吸收的相变潜热是： ，= ( “2 一q ) + p ( 屹一m ) 用焓表示的相变潜热公式： ，= ( u 2 + p v 2 ) - ( u l + p m ) = j i z 2 一j l l 二级相变：相变时两相的化学位相等，化学位的一阶偏微分也相等，但二阶偏 微分不相等的相变。没有相变潜热和体积改变，有比容、压缩系数、膨胀系数变化， 如磁性转变、有序一无序转变、超导转变等属于此类。 ( 3 ) 按相变发生的机理来划分 1 ) 成核生长机理( n u c l e a t i o n g r o w t ht r a n s i t i o n ) 2 ) 斯宾那多分解( s p i n o d a ld e c o m p o s i t i o n ) 3 ) 马氏体相变( m a r t e n s i t ep h a s et r a n s f o r m a t i o n ) 4 ) 有序一无序转变( d i s o r d e r - o r d e r t r a n s i t i o n ) f 1 7 】 2 2 2 相变材料的分类 2 2 2 1 贮