相變化材料於紡織領域上的應用
相變化材料於紡織領域上的應用

相變化材料於紡織領域上的應用

1980年美國國家航太中心為改善太空服的熱性能,曾將相變化材料以微膠囊形態安置於紡織結構中,以使太空人可有效對抗極端的溫度變化,雖然此計畫並未如預期成果,但後續發展卻值得吾人注意,如將相變化材料加入纖維或塗佈於織物中,應用產品以滑雪衣、手套、襪子、毛衣、靴子和鞋子等為主。

相轉變材料(PCM)可透過微膠囊的方式包覆,應用在服飾織物上,使其能自主性的「吸收」或「釋放」熱能,讓人體感受涼爽或保暖的效果,溫度調節服飾能自動提供使用者最佳之舒適感及健康維護。


一般水性的PCM微膠囊主要調節溫度為28±1℃,可藉透過網版印花等織物塗佈加工方式與織物結合,並提供加工織物溫度調節特性(溫差=3.6℃),適合服飾、寢具等相關產品應用。


1980年初期美國”國家航空及太空總署(NASA)”之登月計劃為保護太空人而設計特殊熱性能(相轉變)之太空服(Astronaut’s Space Suit),希望藉此相轉變材料(Phase Change Materials, PCM)能夠固著於纖維或組織中,裨以抵抗極溫變化之危險性。爾後,運用此項原理與技術在日常服飾中,使穿著者衣服內之氣候變化符合人體所須,而形成智慧型健康性相轉變纖維或織物服飾。相轉變材料(PCM)為一種在特定溫度範圍內之物質,其物理態可由固相變化至液相,或由液相變化至固相,在變化時伴隨大量潛熱的吸收或釋放。意即當外界溫度或體溫上升時,PCM由固相轉變為液相,吸收儲存熱能;反之,當外界溫度或體溫下降時,PCM由液相轉為固相,釋放出熱能。因此,可調節衣服內或身體內之溫度,使穿著者在熱天或運動後溫度上升時感到稍涼爽感,在冷天溫度下降時,身體獲得PCM釋放出之熱量而感到溫暖感,有微氣候控制(Micro-Climate Control)之功能,使穿戴者感到舒適。
 

近年來學者專家已陸續發現500種以上之相轉變材料,其所產生相變化溫度的區間與熱儲存能力均不同。一般而言,相轉變材料可分為(1)有機(Organic),(2)無機(Inorganic)或(3)複合相轉變材料。有機相轉變材料主要係酯類、多元醇及石蠟等;無機熱轉相材料則大多屬於水合結晶鹽類,而紡織品大多使用石蠟類之碳原子數在12-24之間。不同鏈長的烷烴(石蠟;Parraffin)類,其相變化溫度範圍不同,亦有非常接近人體肌膚溫度,唯此材料之純度需達95%以上或多種摻合,才能達到所需求之溫度調節範圍。然而,相轉變材料必須以微膠囊為載體才能運用於織物上以防止液相相轉變材料汙染織物,其直徑約為1-60µm,其用途為抗物理磨損、剪切力、壓力、熱與化學侵蝕等作用。
 

目前相轉變調溫織物之應用日益擴大,已廣受客戶青睞,諸如大衣夾克、褲子、手套、頭套(帽子)、鞋子、襪子、安全帽內襯、軍用服裝與潛水服等。由於相轉變調溫織物屬於智慧型材料,實質上有舒適之調溫效果,預期是未來最有發展潛力之纖維織物。相轉變調溫織物之功能和持久性由其相變化溫度及潛熱容量所決定,一般相轉變調溫織物宜具有下列效應:
(1)冷卻涼爽效應:相轉變材料吸收人體散發之熱量而感到涼爽。
(2)加熱溫暖效應:人體吸收相轉變材料所釋放出來的熱量而感到溫暖。
(3)絕緣效應:相轉變材料因吸放熱而形成熱屏障(Thermal Barrier),而防止人體熱能流失。
(4)調節效應:相轉變材料配合外界與人體溫度昇降而產生吸放熱反應,可有效地調節身體之溫度。

 

    相轉變材料(PCM)為一種在特定溫度範圍內,其物理態可由固相變化至液相;或由液相變化至固相之物質,在變化時伴隨大量潛熱的吸收或釋放。通常PCM在加熱過程中所造成的溫度上昇現象在到達熔點後會消失。在整個相轉變過程完成後,PCM及週圍環境的溫度可維持一定,假如再對此類材料加熱,其溫度會持續上昇。當冷卻至PCM結晶溫度時,潛熱將被釋放出來。另外一方面,由液相轉變為固相時,PCM材料的溫度不變。當相變化完成後,若降溫持續進行,將導致溫度降低。在自然界中有很多材料都可應用成相轉變材料,如加熱過程冰在0℃時可以變為水,水在100℃時可以變為水蒸汽;反之降溫過程水蒸汽在100℃時可以變為水,水在0℃時可以變為冰。

目前相轉變材料在紡織產業係選用人體舒適溫度(如28℃)之相轉變材料,並以微膠囊型態進行加工應用。於上、下游加工之方法有:(1)纖維內混練(Blended Inside Fiber);(2)塗佈加工(Coating)及(3)含浸加工(Dipping)等幾種方式。由於目前市售相轉變微膠囊無法耐高溫,故纖維內混練較適宜低溫之濕紡製程。塗佈加工係以微膠囊化之相轉變材料,藉適當之樹脂(如PU、壓克力或膠液)塗佈於織物上,賦予織物溫度調節機能。另外,亦可將微膠囊化之相轉變材料與水性接著樹脂混合成分散液,再藉由織物含浸加工製程使相轉變微膠囊附著於織物上。

參考資料:相轉變材料在調溫織物上的應用 – Tnet全球紡織資訊網

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