相变材料在调温纤维上的应用

相变材料在调温纤维上的应用

2009年10月30日 10:27:53【大中小】2011（第二届）大宗商品交易市场发展论坛生意社-大宗商品数据商

生意社：大宗商品现货与期货价格对比表生意社：大宗商品现货与电子盘价格对比表利用相变材料(Phase Change Material，PCM)的相变潜热来存储热能的技术，具有蓄能密度大、蓄放热过程近似恒温、过程易控制等优点，在研制节能建材和构件、开发新型日用品方面有着很重要的意义。蓄热技术已成为最具吸引力的热能利用技术之一[1]。

目前，绝大多数无机相变材料具有腐蚀性而且在相变过程中具有过冷和相分离等缺点，影响了其蓄热能力；有机相变材料虽然腐蚀性小、在相变过程中几乎没有过冷和相分离的缺点，且化学性能稳定、价格便宜，但有机相变材料一般在相变过程中会显液态，且导热系数低，从而限制了其使用范围及降低了储能效率，因此，研制新型蓄能复合相变材料是人们研究的热点和难题[2]。

本文针对有机相变材料存在的本质问题，采用“溶胶-凝胶法(Sol-Gel)[3、4]”，将有机固-液相变材料嵌入到导热系数较高的二氧化硅纳米层空间内，制备有机-无机复合相变蓄热材料，解决了有机相变材料液相泄漏的问题，提高了材料稳定性，拓宽了有机相变材料的使用范围，并通过涂层将相变材料与纺织品相结合，这对于相变材料的开发以及智能调温纺织品的研究具有一定指导意义。

1实验部分

1·1材料

正硅酸乙酯(TEOS)，化学纯，天津市化学试剂一厂；无水乙醇，分析纯，天津市

赢达稀贵化学试剂厂；浓盐酸，分析纯，天津化学试剂五厂；相变材料A，分析纯，天津市光复精细化工研究所；低温粘合剂(丙烯酸酯类)；涤/棉平纹织物

(28tex×28tex，256根/lOcm×204根/lOcm)。

1·2仪器与设备

差示扫描量热仪，PERKIN-ELMER DSC-7，美国；综合热分析仪，NETZSCH-STA4O9PC，德国；偏光显微镜，BA2O00系列，重庆光学电子仪器有限公司；涂层机，LTF97885，瑞士；点温计，JTl310，深圳市经腾威实业有限公司；电热恒温水浴锅，天津市中环实验电炉有限公司；电热鼓风干燥箱，DL-101-1，天津市中环实验电炉有限公司；79-1型磁力加热搅拌器，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司。红外灯(中心波长为

l-2.5µm)，220V/250W，通用电气嘉宝照明有限公司。织物热性能测试装置如图1示。

1·3实验方法

1·3·1复合相变材料的制备

将TEOS、蒸馏水和无水乙醇按一定比例混合，搅拌l5min后，用盐酸调节pH等于3，继续3Omin后，加入熔融的相变材料A，在60℃下继续搅拌70min，将样品放入烘箱，约3-4h后形成透明凝胶，碾碎即得到复合相变材料。

1·3·2织物涂层

织物涂层工艺流程：涂层浆配制→织物涂层→焙烘。

涂层浆配制：首先将复合相变材料熔融后加入一定比例的粘合剂，过程自始至终都要搅拌，使其混合尽量均匀，当达到一定粘稠度后即可涂层于织物表面。

1·4测试方法

1·4·1步冷曲线

取lg样品放入试管底部，将点温计探头没入样品中(注意：在对几个样品分别进行测试时，点温计探头没入位置应一致)，将试管放入60℃水浴中，待点温计温度显示50℃，取出试管，在常温下降温，每10s对点温计读数采点一次，然后作图，用图中曲线中拐点处曲线的长短(调温平台)来表示控温能力强弱。

1·4·2 DSC测试

用DSC测试来表征样品的相变恰、相变温度，升温速率为1℃/min，升温区间为20-60℃。

1·4·3织物表面温度

用自制装置(如图1示)将点温计的传感探头紧贴于织物的表面，测量织物的表面温度。采点间隔为每10s采点一次，根据需要确定升温和降温的时间。

1·4·4涂层量

涂层量是指单位面积涂层织物上涂层物的质量，单位为g/m2。

涂层量=((w2/cd)-(w1/ab))×104

其中:w1-空白织物的质量(g);

a×b-空白织物的面积(cm');

w2-涂层织物的质量(g);

c×d-涂层织物的面积(cmz)。

2结果与讨论

2·1水/酯摩尔比的确定

选取n(H2O):n(TEOS)分别为2:1、4:1、7:1、9:1、11:1，加入适量的乙醇(充分溶解即可)，按1·3·1方法制备复合相变材料样品，纪录各样品胶凝时间。按1·4·1绘制各样品的步冷曲线(图2)。H2O/TEOS摩尔比与胶凝时间的关系如图3示。

由图2可以看出，在各样品的步冷曲线中在36℃附近都有一个明显的温度缓冲平台，这一“平台”具有特殊意义，显示出降温速率的变缓，说明相变材料在36℃附近温度发生固-液相变吸收了热量，延缓了温度的降低，这充分显示出相变材料的调温性能，对调温纺织品的开发具有重要意义。从图可以看出，对于n(H2O):n(TEOS)分别为7:1、4:1、9:1、11:1、2:1的复合材料，降温过程中所产生的平台依次减弱，即

调温效果依次降低。这是由于当r[n(H2O)/n(TEOS)=r]值过小时，溶胶粘度增大，且TEOS水解不完全，出现凝聚不均匀，即转变为沉淀的状态；当r值过大时，溶质水化度增加，胶体中的含水量很大、粘度小、凝胶水解时间将延长，甚至在凝胶化过程中析出晶体。两种情况皆不利于包覆相变材料，致使相变材料与其不能均匀地复合。影响复合材料的质量，从而也影响其调温性能。由图可以看出，当r=7时，调温效果最好。

由图3可知，当r＜4时，随着r的增加胶凝时间减少，当r＞4时，随着r的增加，胶凝时间增加显著。这是因为：r=4为TEOS完全水解所需要的水的化学计量数。当r＜4时，随r增加，TEOS水解后形成的Si-OH基团浓度增加，有利于缩聚反应的进行，因而凝胶时间减小；当r＞4时，随r的增加，硅酸乙酯水解后形成的Si-OH 基团浓度逐渐减小，基团间难以碰撞发生反应，同时，水作为缩聚反应的产物，浓度越大，对缩聚反应越不利，这两种因素导致了胶凝时间随r增加而增大[5]。

综合考虑：当r=7时，复合相变材料控温效果最好。且其胶凝时间短，生产效率高，因此宜选用n (H2O):n(TEOS)为7:1。

2·2反应温度的确定

选取反应温度分别为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃。采用1·3·1方法制作复合相变材料样品，纪录各样品胶凝时间。按1·4·1绘制各样品的步冷曲线(图4)，反应温度与胶凝时间关系如图5示。