陳曉輝,張國慶,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]研究兩種不同相變微膠囊的結(jié)構(gòu)特性對水泥空隙結(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(wěn)定性問題,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]對相變材料進(jìn)行封裝固定。后整理法是將相變微膠囊通過后整理制成調(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)到對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程優(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程進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)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(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)測提供理論基礎(chǔ)。

1 相變調(diào)溫面料的制備與測試

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,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(shù)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(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(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(fù)載量測試

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)式織物厚度儀對相變調(diào)溫微膠囊面料厚度進(jìn)行測量,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)行國家標(biāo)準(zhǔn)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(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)對其進(jìn)行儲(chǔ)熱性能測試。測試溫度區(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)測量儀對相變微膠囊調(diào)溫面料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試與分析。將準(zhǔn)備好的待測試樣進(jìn)行濕熱平衡,再選擇合適的探頭對織物進(jìn)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(diào)溫面料降溫過程溫度進(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(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;

通過式(1),計(jì)算出相變微膠囊負(fù)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(shù)學(xué)式數(shù)字式織物厚度儀測量相變調(diào)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(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,曲線的特征峰對應(yīng)著相變微膠囊調(diào)溫面料的放熱過程,相變溫度點(diǎn)為25.1 ℃。通過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)生了明顯的相變過程且有一定的儲(chǔ)熱性能。通過導(dǎo)熱系數(shù)測量儀測出相變微膠囊調(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有限元軟件對相變調(diào)溫面料傳熱過程進(jìn)行分析,對于相變材料的相變過程采用焓值法進(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)建分析對象的幾何模型。將相變調(diào)溫面料中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喕癁殚L10 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(jù)相變微膠囊調(diào)溫面料的表征數(shù)據(jù)對模型進(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

對于簡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)和熱對流,根據(jù)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(dòng)時(shí)間步,步長為10 s。施加熱對流系數(shù)載荷,熱對流系數(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)溫面料簡化模型具有較好的模擬精度,可通過此模型對相變調(diào)溫面料在不同條件下進(jìn)行模擬與預(yù)測。

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(diào)溫模型,同時(shí)模擬分析1#、2#、3#、4#相變調(diào)溫面料的傳熱過程,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證了相變調(diào)溫模型。可通過此模型對相變調(diào)溫面料在不同條件下進(jìn)行模擬仿真,為預(yù)測相變調(diào)溫面料的溫度變化提供了理論基礎(chǔ)及實(shí)際意義。