分级相变低温防护复合织物的制备及性能研究

摘要

随着科学技术的飞速发展以及人们对于生活品质要求的不断提高，单纯地通过控制衣物的厚度来调节温度的方式难以满足人们对服装舒适性和功能性的要求。相变材料在相变过程中会吸收或释放大量的潜热，通过微胶囊技术将相变材料作为芯材制成相变微胶囊，可以克服相变材料在单独使用过程中存在的易泄漏、相容性差和腐蚀性等问题。将相变微胶囊整理至织物表面，通过微胶囊芯材的相变行为调节织物微环境的温度，可以在显著减小织物厚度的同时有效的缓解因外界环境的温度变化对人体造成的不适，提升了织物的服用性能。
　　首先，出于绿色环保的目的，采用气流式锐孔-凝固浴法制备了以海藻酸钠为壁材、以正十八烷为芯材的相变微胶囊。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶红外光谱仪(FT-IR)、差示扫描量热仪(DSC)等分析方法，研究了海藻酸钠用量、CaCl2用量、芯材与壁材质量比和气流压力等因素对于微胶囊形貌、微胶囊热性能以及包覆效率的影响。通过Design-Expert8.0程序，以微胶囊的包覆率作为响应值，建立了海藻酸钠用量、CaCl2用量、芯材与壁材质量比的多元回归模型，并得到了响应值和各影响因素的最优水平。海藻酸钠相变微胶囊的最佳制备条件为:海藻酸钠质量分数为2.6wt％，CaCl2质量分数为6.3wt％，芯材与壁材质量比为0.35∶1，气流压力为0.04MPa。在此条件下制得的相变微胶囊成圆球形，具有良好的分散性，相变潜热为142.2J/g，包覆率为64.76％。综上所述，海藻酸钠相变微胶囊虽然具有绿色环保的优点，但其相变潜热偏低，无法显著提升复合织物的低温防护性能。
　　为了进一步提升相变微胶囊的相变潜热，采用原位聚合法，以正构烷烃（正十四烷、正十六烷、正十八烷、正二十烷）为芯材，以三聚氰胺、尿素和甲醛为壁材，制备了具有较高相变潜热的相变微胶囊。通过光学显微镜(OM)、发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、傅立叶红外光谱仪(FT-IR)、差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TG)等分析方法，研究了乳化转速、乳化剂种类、乳化剂配比、乳化剂用量、尿素用量、芯材与壁材质量比对于微胶囊形貌、微胶囊热性能以及包覆率的影响。通过Design-Expert8.0软件，以微胶囊的包覆率作为响应值，建立了乳化剂质量分数、尿素质量分数、芯材与壁材质量比的多元回归模型，并得到了响应值和各影响因素的最优水平。三聚氰胺-尿素-甲醛(MUF)微胶囊的最佳制备条件:乳化剂质量分数为6.9wt％，尿素质量分数为0.7wt％，芯材与壁材质量比为1.7∶1。此条件下制得微胶囊呈圆球形，表面光滑、结构致密。微胶囊的相变潜热为194.1J/g，包覆率为88.75％。FT-IR分析得出，MUF树脂成功地包覆了正构烷烃。与海藻酸钠相变微胶囊相比，三聚氰胺-尿素-甲醛(MUF)相变微胶囊具有较高的相变潜热，更适于低温防护复合织物的制备。
　　再次，通过发泡涂层法将单一正十八烷微胶囊涂覆至织物表面，制得低温防护复合织物，探究了发泡涂层的工艺并通过低温防护试验来测试复合织物的低温防护性能。探究了发泡剂质量分数、稳泡剂质量分数、发泡时间、泡沫密度、刀距、水性聚氨酯质量分数、相变微胶囊质量分数和织物的组织结构对涂层整理液和复合织物的影响，得到了较优的发泡涂层工艺:发泡剂SDS的质量分数为3.0wt％，稳泡剂PAM的质量分数为2.5wt％，发泡时间为4.5min，泡沫密度为100～150g/L，刀距为1.5mm，水性聚氨酯质量分数为20wt％。平纹织物的低温防护性能优于斜纹和纬平针织物。相变微胶囊的质量分数越大，复合织物的低温抵抗时间越长，低温防护性能越好，但是当其质量分数超过20wt％时，附着于织物表面的微胶囊出现了明显的团聚现象。
　　为了进一步延长复合织物的低温抵抗时间，提升织物的低温防护性能，本研究将包覆有不同相变材料（正十四烷、正十六烷、正十八烷、正二十烷）的微胶囊整理至织物表面，制得分级相变低温防护复合织物。与涂覆单一芯材微胶囊的复合织物相比，分级相变较为显著的延长了复合织物的低温抵抗时间。当外界环境温度为-15℃时，涂覆有分级相变微胶囊（正十四烷、正十六烷和正十八烷微胶囊的最优配比为1∶1∶2）的复合织物的低温抵抗时间为6.9min，与涂覆单一正十八烷微胶囊的复合织物相比提升了13.1％，进一步延长了人体在低温环境下的作业时间。
　　最终，本研究通过FLUENT16.0有限体积分析软件对分级相变低温防护复合织物进行了仿真数值模拟。首先利用ANSYS Workbench建立了简化的低温防护复合织物的几何模型，并对第四章的低温防护试验进行数值模拟，得到了分级相变低温防护复合织物模型在不同时刻的温度场云图，直观的展现了分级相变低温防护复合织物内部的温度场变化情况。将模拟结果与实验结果进行对比，其误差小于6.53％，验证了模型的正确性。在此基础上，探究了环境温度和风速对于复合织物模型低温防护性能的影响，可以用于低温防护复合织物的优化设计以及复合织物在真实环境中的低温防护性能的分析预测。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 相变材料

1．2．1 相变材料的定义

1．2．2 相变材料的种类

1．3 微胶囊化技术

1．3．1 微胶囊化技术的发展

1．3．2 微胶囊化技术的意义

1．4 相变微胶囊

1．4．1 相变微胶囊的制备方法

1．4．2 相变微胶囊的应用

1．5 智能调温纺织品

1．5．1 智能纺织品

1．5．2 智能调温纺织品及制备方法

1．6 课题简介

1．6．1 本课题的研究意义

1．6．2 本课题的研究内容

第二章 海藻酸钠相变微胶囊的制备及性能

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 海藻酸钠相变微胶囊的制备

2．2．4 响应面试验优化微胶囊制备工艺

2．2．5 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 海藻酸钠质量分数对包覆率的影响

2．3．2 CaCl2质量分数对包覆率的影响

2．3．3 芯材与壁材质量比对包覆率的影响

2．3．4 气流压力对微胶囊形貌的影响

2．3．5 响应面试验

2．3．6 微胶囊FT-IR分析

2．3．7 微胶囊外貌形态分析

2．3．8 微胶囊DSC分析

2．3．9 微胶囊热循环测试

2．4 本章小结

第三章 三聚氰胺-尿素-甲醛相变微胶囊的制备及性能

3．1 引言

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 三聚氰胺-尿素-甲醛(MUF)相变微胶囊的制备

3．2．4 响应面试验优化微胶囊的制备工艺

3．2．5 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 乳化转速对微胶囊的影响

3．3．2 乳化剂种类对微胶囊的影响

3．3．3 乳化剂配比对微胶囊的影响

3．3．4 乳化剂用量对微胶囊的影响

3．3．5 尿素用量对微胶囊的影响

3．3．6 芯材与壁材质量比对微胶囊的影响

3．3．7 响应面试验

3．3．8 微胶囊外貌形态分析

3．3．9 微胶囊FT-IR分析

3．3．10 微胶囊晶型分析

3．3．11 微胶囊DSC分析

3．3．12 微胶囊TG分析

3．4 本章小结

第四章 分级相变低温防护复合织物的制备及性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 复合织物的制备工艺

4．2．4 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 发泡剂对发泡性能的影响

4．3．2 稳泡剂对发泡性能及稳定性的影响

4．3．3 发泡时间对发泡性能的影响

4．3．4 泡沫密度对复合织物透气性能的影响

4．3．5 刀距对复合织物的影响

4．3．6 水性聚氨酯质量分数对复合织物的影响

4．3．7 微胶囊质量分数对复合织物的影响

4．3．8 织物组织结构对复合织物的影响

4．3．9 分级相变对复合织物低温防护性能的影响

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 问题分析及假设模型

5．2．1 问题的分析

5．2．2 模型的假设

5．3 控制方程

5．3．1 质量方程

5．3．2 动量方程

5．3．3 能量方程

5．3．4 湍流模型

5．4 几何模型的建立

5．5 网格的划分及评估

5．5．1 网格的类型

5．5．2 网格划分

5．5．3 网格评估

5．6 FLUENT求解设置

5．6．1 设置计算模型

5．6．2 设置边界条件

5．6．3 设置求解器

5．7 结果与分析

5．7．1 低温防护试验的数值模拟

5．7．2 不同环境风速下的温度场分析

5．7．3 不同环境温度下的温度场分析

5．8 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢