相变材料应用于夏micai中的优化设计

第一章绪论1.1引言micai服在wjbd日常训练、执勤、抢险及维稳处突中发挥着重要作用。但是，wj官兵在执行任务时经常会面临各种复杂的天气环境，因此，如何提高micai服尤其是夏micai服的舒适度，对保持战斗力具有重要的意义。在高温环境下，夏micai服如果不加处理，散热效果不佳，往往使战士战斗力下降。尤其随着气候变暖，夏天越来越热，武汉、重庆、上海、广州等大城市夏季室外地面温度可高达50多度，对wj官兵执勤站哨是一个巨大的考验。由于许多哨位无法安装空调，且战士们是全副武装，极易汗流浃背，极大地影响执勤工作效率。因此，如何在不改变着装要求的前提下，通过对夏季micai服进行改性设计，使之具有自动降温的性能，对改善战士执勤环境，提高执勤效率具有重要的意义。基于上述背景条件，对夏micai服进行改性优化的研究就显得变得意义非凡了。1.2相变材料相变材料(PCM-PhaseChangeMaterial)，又被称为潜热储能材料，是指随外界温度变化而改变形态同时储存或者释放能量的物质。相变材料的这种特性，使之在智能服装调温、节能建材、温室种植、医药制品及食品的冷藏和运输、工业余热储存利用等诸多领域均具有明显的应用价值。相变材料在服装上的应用始于20世纪70年代的美国，Hansen在专利中提及以含CO2的溶液添加到中空纤维的办法，通过CO2等气体发生气-液反应实现保温的目的[1]。20世纪80年代以后，研究人员开始探索水合盐添加纤维制备织物、如将含有结晶水的硫酸钠（NaSO4）填充入中空纤维中，利用水合盐的熔融结晶可逆过程中的放热吸热来调温[2]。之后又采用聚乙二醇等[3]，但是在推广和应用方面还存在一定的困难，主要原因是制作成本较高、舒适性不如传统织物、携带不方便。因此，美国、欧洲、日本等一些发达国家许多公司在90年代后将相变材料采用包覆的方法制备成微胶囊应用于服装表面，结果表明这种微胶囊能有效降温，提高人体舒适状态[4]。我国将相变储能材料应用于调温服装制品的研究工作主要是在20世纪90年代后开始，其中以清华大学、东华大学、武汉理工大学、天津工业大学等研究较为突出[5-8]。清华大学的张寅平教授团队研制了医用降温服[9]，通过在服装上布置多个口袋，用于装降温袋，使用时将其装入口袋，利用相变潜热进行降温，获得了很好的效果。Gao[10]、Chou[11]、王云仪等[12]采用凝胶等相变材料制成降温袋，通过暖体假人实验评价了降温服装在高温条件的温度变化。除了开发出相变材料冷却服外，张寅平等人[13-14]还研究了如何提高相变材料的导热性等问题。1.2.1相变材料作用机理相变材料的作用机理如图1.1所示。当环境温度发生变化时，材料通过发生等温相变实现热量的储存及释放[15]。利用这种原理，可以将相变材料通过一定方法与布料织物复合，就可以研发出具有自动储能调温功能的衣服制品[16]。以固-液相变材料为例：当处于夏季室外环境或高温工作环境时，温度升高并达到服装内相变材料熔点，材料会由固态转化为液态，此时相变过程会吸收并储存热量，起到降低服装内温度的效果，延长穿着者的热舒适感。图1.1相变材料工作原理1.2.2相变材料分类相变材料可依据成分、相变形式、相变温度范围的不同分为多种类型，不同的相变材料在不同领域有其自身的优势和缺点[17]。（1）按组成成分分类相变材料按组成成分可分为无机相变材料、有机相变材料以及将有机材料和无材料共混的混合相变材料（表1.1所示）。其中，无机相变材料价格相对较低，但耐腐蚀性较差，在使用过程中也易出现相分离和过冷的现象。有机相变材料通常没有固定的熔点，主要通过支链的转变进行放热或者吸热，具有较低的相变温度和较高的相交潜热，可以多次循环使用[18]。表1.1不同成分相变材料性能对比种类物质优点缺点有机相变材料石蜡类潜热大、过冷度小、性质稳定、无相分离、无腐蚀、价格便宜导热系数小醇类热效率高、相变过冷度小且耐用易挥发聚合物等聚合物类过冷度小、无相分离、稳定吸放热聚合物熔融温度过宽、熔点过高100℃无机相变材料结晶水和盐溶解热高、价格便宜、储热密度大、熔点范围广过冷严重、易相分离、蓄热性能差熔融盐、金属及合金溶解热大、传热好价格高、不耐腐蚀、多用于高温领域混合相变材料有机和无机共融混合物导热较好、环境污染小，储热密度大材料结构复杂、界面处理技术难度大（2）按材料相变形式分类依相变类型可将相变材料分为四类：固-液、固-固、固-气和液-气相变材料[19]。由于固-气相变和液-气相变产生气体，应用于服装领域时存在方便性及安全性等问题。固-固相变材料多为无机盐类、多元醇类等，无机盐类相变温度高、相变焓小不适于服装的应用。相比之下，石蜡类烷烃是较为常见的固-液相变材料，具有潜热大、过冷度小、性质稳定、可逆性好、无相分离、无腐蚀、价格便宜等优点，尤其适用于服装领域。（3）按相变温度区间分类相变材料按照相变温度区间划分可分为髙温相变材料（相变温度一般在200～2000℃）、中温相变材料（相变温度一般在15～200℃）、低温相变材料（低于15℃）。各类材料相关性能及应用如表1.2所示[20]。中温相变材料是目前应用范围最多的一类材料，用于医疗器械运输、太阳能储热、服装制品和建筑材料外墙保温与节能等领域。表1.2不同相变温度范围相变材料分类种类相变温度范围代表物质应用领域高温相变材料200～2000℃金属合金、熔融盐航空航天等特殊高温环境中温相变材料15～200℃有机物、结晶水合盐等太阳能储热、服装、节能建材、医用产品低温相变材料低于15℃水凝胶、冰1.2.3相变材料的选择原则材料在使用时需考虑相变温度、潜热热值、热导率、原料成本及工艺性等多方面因素。通常，人体感知的最适宜的温度范围为28℃左右（正负3℃）。因此，在降温服装领域，应首先考虑相变点接近人体适宜温度范围的相变材料，同时还要满足其他多个条件：（1）所选相变材料应具有合适的相变温度（熔化温度）范围，一般为25-35℃；（2）相变材料应具有较大的潜热热值，既具有较高的热量存储能力；（3）相变材料的熔融温度和凝固温度差距较小；（4）相变材料物化性质稳定，且无毒性，无腐蚀性。（5）材料只发生相变物理过程，不会对人体造成次生伤害；（6）为防止因温度大幅变化（由高温至低温）影响人体穿着的舒适感，温度变化时，相变过程必须可逆进行。（7）相变过程可循环多次进行，熔融和凝固过程没有质量损失，具有较好的重复性，降温服的使用寿命高；（8）为使热量在相变材料中快速传递，起到快速降温效果，材料应具有较好的导热性，既较大的导热系数。（9）相变过程中材料的体积变化应该尽量小，便于材料封装，和人体穿着后肢体的灵活性；（10）材料应具有适宜的密度，保证封装袋体积合适以及服装整体的质量与舒适性；（11）制备成本低。综上考虑，结合1.2.2节中的分析可知，相比其他相变材料，石蜡材料具有更加优异的综合性能。首先，石蜡原材料易获得且价格相对便宜，化学性能稳定，对人体没有接触伤害；其次，石蜡相变过程体积变化较小，没有过冷和相分离现象；此外，石蜡的储热性能优异，由于石蜡因碳原子含量不同具有不同的温度范围，不同类型石蜡之间可以互相混合，相变温度范围可以根据实际使用灵活调整。总体来看，石蜡类相变材料在降温服装领域具有良好的应用前景。1.3本文研究内容为实现石蜡材料在夏micai服中的有效应用，本文以C18石蜡材料为基体，通过向其中添加不同质量分数的铝粉、石墨和膨胀石墨粉末的方法对石蜡基体热性能进行改性，研究了添加物对于石蜡相变材料热性能的影响情况。并采用水浴热实验探究了不同材质封装材料和添加隔热布料对相变材料升温特性的影响。这些工作对与石蜡相变材料作为蓄冷模块提高wj夏micai服的调温功能及使用舒适性具有重要的意义。第二章实验材料及测试过程2.1石蜡材料2.1.1石蜡相变材料石蜡属于有机烷烃类混合物，其分子通式为。它的种类繁多，依据碳原子数的不同，具有不同的热物理性能（表1.3所示）。石蜡的来源非常广泛，并且价格低廉，能够满足我国wjbd夏季冷却micai服的大规模使用。石蜡相变温度范围广（10℃-80℃），碳原子含量越高，相变温度越高。不同石蜡相变热相差不大，主要集中在200至300KJ/kg范围，与无机盐类相当[21]。表1.3不同碳原子数石蜡的性能碳原子数熔融温度/℃熔融热焓（J/g）结晶温度/℃结晶热焓（J/g）1828.2235.724.4227.831931.922228223.822036.823930.6231.79考虑到石蜡导热系数小，仅为0.24W/mK。因此，在考虑将石蜡用于相变降温材料使用时，如何提高石蜡的导热效率对于其实际应用具有重要意义[22]。目前常见的方法是在石蜡类材料中加入高导热率物质。常见的添加类型主要为金属粉末和石墨粉末[23]。Khan[24]等通过在石蜡相变材料基体中分别加入Al、Fe、Cu等金属粉末，采用数值模拟的方法研究了材料在凝固过程中的热量传输情况。张寅平等人[25]在石蜡中加入不同质量分数的铝粉和铜粉（含量5%-20%）,并研究了材料导热系数的变化，结果表明添加铝粉后导热系数提高了20％～48％，加入铜粉后导热系数提高了11％～24％。杨树等人[26]通过加入石墨制得石蜡/石墨复合相变材料，提高了传热性能。Xavier等[27]人采用多孔石墨制备了石蜡/石墨复合相变材料，相比于普通石墨添加，多孔石墨可以通过吸附石蜡来提高基体物质石蜡所占的质量分数，石蜡占比最高可达95％。相对于纯石蜡材料，多孔石墨/石蜡复合相变材料的导热系数最多提高了近30倍，表现出良好的热传导效果。张正国等[28]选用了膨胀石墨来代替传统石墨制备了石蜡基复合相变材料，膨胀石墨孔洞也表现出良好的吸附能力。2.1.2石蜡材料选择相变温度对于选择合适的相变材料非常重要，根据1.2.3节的分析及不同碳原子含量石蜡的熔融温度（表1.3所示）来看，C18和C19石蜡最为合适。然而相比于奇数碳原子的C19石蜡，C18来源更为广泛。2.1.3石蜡密度测定由于石蜡熔融温度低，可采用水浴加热的方法，将已知质量的石蜡块放入试管中加热到40℃使其融化，得到体积值，从而获得石蜡密度约为0.8g/cm3。2.1.4石蜡体积膨胀率测定作为基体材料，石蜡的体积膨胀率对于能否进行封装非常重要，体积膨胀率过高会造成封装袋破裂导致材料泄露。体积膨胀率测试步骤为：将一定量石蜡装入试管，在水浴中加热融化后放置冰箱凝固，读出体积V1，将试管取出后再次放入水浴中融化，得到体积V2。体积膨胀率即为(V2-V1)/V1，本课题中石蜡材料体积膨胀率约为6.2%。2.1.5石蜡融化温度测试采用差式扫描量热法(DSC)测试石蜡的熔化温度，测试温度为10℃-80℃，升温速率为5℃/min，采用氮气气氛保护。采用切线法及曲线积分法测得石蜡材料相变温度为28.2℃，相变潜热约为150kJ/kg，表明材料符合降温服用适宜温度。2.2膨胀石墨材料制备铝粉购于长沙天久金属材料有限公司、粉末粒径范围为5-40微米（过400目筛），石墨粉及可膨胀石墨粉末购于青岛石墨股份有限公司，石墨粉平均粒径为10μm，可膨胀石墨膨胀率220mL/g,粒度80目。实验中的膨胀石墨粉末由可膨胀石墨制得，将可膨胀石墨粉干燥、800℃加热并保温，使可膨胀石墨发生膨胀，得到膨胀石墨，如图2.1（a）所示。膨胀石墨结构松散，密度低，外形为蠕虫状。在扫描电镜下微观形貌如图2.1（b）所示，膨胀石墨具有微孔洞，意味着比表面积增大，将有利于对石蜡材料的吸附。图2.1膨胀石墨宏观及微观组织形貌2.3复合相变材料制备过程复合相变材料采用熔融共混法制备，将添加粉末加入到融化的石蜡中搅拌均匀后冷却后既可得到。具体步骤如下：将水浴锅打开并保持恒定温度，将石蜡放入到烧杯中，将其充分融化在40℃的恒温水浴中。依次将质量分数为5%、10%、15%的铝粉加入到恒温水浴中，并充分搅动30分钟。把已经搅动充分的石蜡和铝粉加入到试管里面，并固定其中心，最后快速移至冰箱当中，使其受冷超过八小时。④重复步骤添加石墨，其中石墨-石蜡材料添加物含量分别为5%、10%和15%。膨胀石墨粉由于体积大，因此把它们放入到融化的石蜡中时，必须采取手动搅拌的方式进行，搅拌时间为30min左右，除此之外的步骤采取与相同的方式进行。同时，因为膨胀石墨松散的结构特性，要成功制备成型的固体状相变材料，膨胀石墨需要选择适当的比例。当添加量较少时，不能起到足够的性能改善效果，含量太大时，与石蜡共混过程中有浪费现象。因此通过前期探索性实验，确定了膨胀石墨-石蜡复合相变材料中，膨胀石墨质量分数分别为2%，5%，8%。制得的材料如图2-2所示，分散性好且无沉降。最后，将所有材料进行编号，如表2.1所示。表2.1实验组分类类别15%铝粉组10%铝粉组5%铝粉组15%石墨组10%石墨组5%石墨组8%膨胀石墨5%膨胀石墨2%膨胀石墨编号A1A2A3B1B2B3C1C2C3图2.2含8%膨胀石墨的相变材料2.4相变材料导热系数测定材料的导热系数采用热物性分析测试仪测得，主要测试原理为，将测试过程中探头的阻值变化转化为温度的变化，从而建立起测试时段内探头温度随时间变化的关系，通过公式转化得到材料的导热系数。实验中采用C7577云母探头，输出功率0.02W，每组样品测试3次，测试时间为10秒，每次测量时间间隔30分钟，将测试结果取平均值。测试之前将样品制成圆片形状，将探头置于2块相同材料之间，将样品恒温加热至30℃。2.5相变材料热性能测试测试实验中主要用到的仪器装置如图2.3所示。具体试验过程如下：把具有恒定温度的水浴锅调成为40℃，待温度完全稳定以后，把装有样品的试管加入到恒温水浴中，开始准备蓄热。打开温度采集系统。当样品温度保持在40℃时，将实验设备关闭，观察试管中样品的状态。图2.3实验装置示意图第三章相变材料热性能分析3.1导热系数纯石蜡材料的导热系数为0.245W/mK。添加不同组元粉末后的相变材料导热系数如表3.1所示。相比于纯石蜡材料，添加高热导率粉末后，复合相变材料的导热能力均有所提高。其中添加5%，10%，15%质量分数的铝粉后，材料导热系数分别提高6.1%，15.1%，30%；添加5%，10%，15%质量分数的石墨粉末后，导热系数分别提高10.2%，20%，34.7%；相比之下添加膨胀石墨粉末对材料导热系数的提高效果最明显，当添加量达到8%时，材料导热系数提高2.34倍。表3.1复合相变材料导热系数材料A1A2A3B1B2B3C1C2C3导热系数0.3190.2820.260.330.2940.270.820.4120.2923.2水浴实验结果分析图3.1、图3.2、图3.3分别代表了添加不同含量铝粉、石墨粉及膨胀石墨后复合相变材料在恒温水域内温度随时间的相变过程。对比所有材料的融化曲线可以看出，材料的升温过程均可分为三个阶段，分别是快速升温、缓慢升温、温度突变阶段。图3.1不同含量铝粉添加后作用曲线图图3.2不同含量石墨粉添加后作用曲线图图3.3不同含量膨胀石墨粉添加后作用曲线图以纯石蜡材料为例，材料在500s、1000s、1500s、2000s、2500s时刻的温度及每隔500s时间段的温升情况分别如表3.2所示。将表中温升数据作图如3.4所示，能够更加清晰地看出材料温度的变化趋势。表3.2石蜡相变材料温度变化情况时刻500s1000s1500s2000s2500s温度20.8℃24.8℃26.727.9℃39.2℃温升5.8℃4℃1.9℃1.2℃11.5℃图3.4每个时间间隔内温升变化首先在开始阶段增温较快，主要原因是相变材料与外界环境存在较大的温度差，此时外层向内传递热量的方式以热传导为主，材料吸收热量升温速率较快，所以这一阶段△T较大，由表3-2中数据可知，在最初升温阶段500s内温度上升为5.8℃。随着热量吸收的增加，材料与外界环境的温差减小，系统热分布逐渐趋于平衡，热传导作用逐渐减弱，温度上升速率逐渐减慢，在500-1000s时间段内材料温度上升了4℃。温度继续升高到相变温度时，少量的固相开始融化成液相，相变的发生使材料将吸收的热量转化为潜热，并且随着液相含量的不断增多，使潜热过程维持一定的时间，温度变化曲线逐渐趋于平缓，因此在1000s-2000s时刻内材料温度一共仅升高3.1℃。在液相含量不断增大的同时，系统内的对流作用也在不断增强，当相变即将完成时（1500s-2000s时刻），液相大量吸热，导致温度急速升高。相变过程完成后，热量的吸收与释放接近平衡，温差逐渐变小并最终到达环境温度。由于材料基体不变，添加不同粉末后相变材料的融化温度没有明显的变化，所有材料均在28℃（正负2℃）左右发生温度的突变，表明在此温度下，材料发生了融化。同时，相比于纯石蜡材料的温度变化曲线，添加所有粉末后，复合相变材料到达熔化温度的时间都不同程度地提早。表明添加粉末后材料的热传导性能提高。主要原因在于，材料融化初期主要的热量传递方式为热传导。铝粉、普通石墨及膨胀石墨都具有较高的导热系数，加入石蜡中会加快其热传导速率。观察铝-石蜡（图3.1）、石墨-石蜡（图3.2）和膨胀石墨-石蜡（图3.3）材料各温度-时间曲线可以发现，温升速率随添加含量的不同而变化。不管是添加铝粉，还是添加石墨粉或膨胀石墨，升温速率均高于纯石蜡材料。对于添加铝粉的材料，升温速率随着添加含量的提高而提高，如表3-3所示。当添加5%铝粉后，相变材料(A3)到达40℃所用的时间约为2300s，相比纯石蜡材料提升了约8%；添加10%铝粉的材料，到达40℃的升温速率提升16.5%，添加15%铝粉的材料升温速率提升约27%。表3.3铝-石蜡相变材料加热到40℃所需温度材料石蜡A3A2A1时间2500s2300s2150s1970s表3-4中显示的是加入5%、10%和15%质量分数石墨相变材料升温至40℃所需要的时间。对比表3-3发现其基本规律和加入铝粉时相同。但整体上，添加质量分数相同时，石墨/石蜡相变材料的升温速率略高于铝/石蜡材料。石墨含量5%时，材料到达40℃所用的时间为2280s，升温速率较石蜡提高9.5%；10%石墨/石蜡材料升温速率提高19%；当石墨添加量达到15%时，材料升温速率提高31%，超过含15%铝的相变材料。表3.4石墨-石蜡相变材料加热到40℃所需温度材料石蜡B3B2B1时间2500s2280s2080s1900s此外，对比图3.1和3.2可以发现，添加相同组分的相变材料在发生相变之前阶段的温度-时间曲线重合性较大。当材料温度进入相变温度区间后，不同组分材料曲线之间差别明显增大，表明铝粉和石墨对石蜡材料相变温度阶段的影响机制相同，都是对蓄热速率影响较大[29]。分析上述原因，造成这种影响的主要原因可能是导热系数远大于石蜡的铝粉和石墨粉末粒径较小，比表面积大，界面作用强，与石蜡均匀混合后，使系统的热导率提高，既表3.1中所示的热导率变化。而在水浴加热实验中则表现出蓄热过程的热量传导速率得以加强，使基体石蜡中储存的冷量能够在适宜的时间内释放出来，既加速了石蜡的融化过程和石蜡的放冷速率。表3.5中为添加膨胀石墨后材料的升温速率。相比添加铝和石墨，添加膨胀石墨后的材料升温速率得到明显的提升。即使加入2%的膨胀石墨，材料的平均升温速率便已提升近40%，不到1800s便可达到环境温度。随着膨胀石墨含量继续升高，材料升温速率增速也明显快于铝粉及石墨添加后的材料。含5%、8%膨胀石墨的材料升温到40℃分别需要1540s和800s，相比纯石蜡材料分别提高了62%和2.13倍。此结果也与表3.1中不同材料的导热系数值相符合。表3.5膨胀石墨-石蜡相变材料加热到40℃所需温度材料石蜡C3C2C1时间2500s1790s1540s800s综上所述，膨胀石墨添加后对石蜡导热性能的提升效果最明显。究其原因，主要与膨胀石墨本身的结构有关。相比纯石墨，膨胀石墨在高温下体积膨胀，蠕虫状结构松散，内部多为孔洞，有利于对石蜡的吸附。且同质量条件下，比表面积比石墨和铝粉大得多。当在液体石蜡中加入膨胀石墨后，液体石蜡在膨胀石墨孔洞的吸附下进入其中，当添加量达到8%后，膨胀石墨将石蜡充分吸附。不仅能使材料的热传导性能和冷量释放速率达到最优效果，还能通过孔洞的包覆作用阻止石蜡在融化时发生流动，可以提高材料在服装中使用时的寿命。因此，膨胀石墨相比传统的高热导率粉末具有更加优异的促进石蜡导热的效果。第四章相变材料封装实验4.1封装设计方法选择本研究主要目的是希望将石蜡材料应用于冷却服，以便于大规模装备wj执勤使用。因此，在确定相变材料以后，下一步就需要考虑将相变材料如何封装及封装后与服装结合的问题。通常相变材料的封装方式主要包括宏观封装及微观封装。其中微观封装主要是指将相变材料由微胶囊包覆制成相变材料微胶囊，并将其吸附于纤维上制成纺织品，但是制备工艺普遍比较繁琐，且目前包覆用的芯材价格较高，导致制备成本较高，不适用于大批量常规夏micai服使用。因此从成本角度考虑，本课题中对各种复合相变材料均采用常规包覆的方法，制成相变蓄冷模块。4.2不同材质的封装袋对材料升温特性的影响由于封装后，相变材料不再直接与外界环境接触，而是通过封装袋作为中间介质。因此，使用不同材质的封装袋进行封装会对相变材料的传热性能产生不同的影响。本实验中选择铝箔封装袋和尼龙+聚乙烯（PA-PE）复合封装袋。为探究封装袋的作用，本实验以纯石蜡为材料，将其封装于如图4.1所示的铝箔封装袋和PA-PE复合封装袋中，每袋封装包内石蜡材料质量为60克，仍然采用水浴加热的方法对包装后的材料进行升温测试，根据人体适宜的感知温度确定水浴加热温度为33℃。图4.1石蜡相变材料封装实物图相变材料封装包水浴加热实验中仍采用第二章中所描述的加热方式，实验装置如图4.2所示。将封装包固定在一定高度后，向恒温水浴锅中加水，为方便测试，水不要完全没过封装包。封装包露出水面的部位开一个小口以便将热电偶从开口伸入内部材料中，测试在封装材料阻隔的情况下材料温度的升温速率。实验开始后，将水浴锅中加热到所需的温度（33℃）并保持恒定。把装有样品的封装包加入到恒温水浴中，开始准备蓄热。将温度采集系统打开并记录材料温度随时间的变化情况，当样品温度升高到在33℃时，将实验设备关闭，将温度变化的数据作图对比分析。图4.2封装包覆后相变材料水浴实验装置不同封装材料包装下，石蜡相变材料温度-时间曲线如图4-3所示。其中蓝色曲线为不加材料时水浴锅内的温度。可以看出，不同封装材料包装后温度变化曲线相似，升温过程的整体趋势均与第三章中纯石蜡材料水浴实验结果相似。不同的是，采用铝箔袋封装后的石蜡相变材料，比采用复合封装袋的材料更早达到水浴环境温度。其中铝箔袋装材料需要125分钟，复合封装袋中的材料则需要145分钟，两者有效作用时间相差20min。既铝箔封装袋表现出更高的升温速率。另外，从图4.3中可以看到从加热之初一直到实验结束，相同时间刻度下两种封装包内始终保持一定的温差，复合封装袋中相变材料温度总体低于铝箔封装袋中材料的温度。图4.3水浴加热条件下两种封装类型石蜡的升温曲线实验结束后对比不同袋中石蜡材料的形貌，其中铝箔封装袋中石蜡已基本融化，相比之下复合封装袋中石蜡并没有完全融化。结合升温曲线可知，铝箔封装袋具有比复合封装袋更好地导热性，更有利于提高服装的降温效果，适用于急需快速降温的环境，如夏季中暑者，高温炉旁工作的人员。从另一个角度看，虽然复合封装袋有一定隔热作用，但是在夏天执勤站岗等长期工作环境下，可以发挥持续缓慢降温的功能。4.3隔热布料对石蜡升温特性的影响封装后的相变材料最终用于服装中。而不同的布料也会影响人体和衣服，衣服与外界环境之间的热量传递。基于上一节的实验结果，在两种封装袋外层添加隔热布料，以研究隔热布料对石蜡升温特性的影响。测试过程与4.2节相同，实验装置见图4.2.添加隔热布料后材料升温曲线如图4.4所示。图4.4添加隔热布料后两种封装类型石蜡的升温曲线由结果可知，铝箔袋装石蜡相变材料依然比复合封装袋中的材料更早达到水浴环境温度。其中铝箔袋装材料需要150分钟，复合封装袋中的材料则需要190分钟，两者有效作用时间相差40min。与不加隔热布料结果（图4.3）所不同的是，实验开始阶段，相同时刻下两种封装内材料平均温度相差不大，这种现象持续近25分钟后才开始出现差异。之后的结果与图4.3相同，不同时刻下复合封装袋内石蜡材料温度总体低于铝箔袋内石蜡的温度。图4.5隔热布添加对封装石蜡材料升温速率的影响将图4.3和4.4曲线综合对比（图4.5）可以看到，添加隔热布料后，两种封装袋内材料升温速率均明显降低。其中铝箔袋材料达到环境温度所需时间增加25分钟，复合袋材料增加45分钟。实验结束后，未加隔热布料的封装袋内石蜡已经大部分融化，而加隔热布料的这组材料未融化部分较大。不管是铝箔封装材料还是复合袋装材料，在整个升温过程中，加隔热布料的材料温度始终低于未加隔热布料的材料。上述结果对于未来相变服装的设计仍具有一定的指导意义，例如在服装设计时在最外层添加隔热布料，虽然使内部相变材料热传导速率降低，但是却可以有效阻挡热量向人体的散发。第五章全文结论与展望5.1结论本文在对比了不同类型相变材料的优缺点后，采用石蜡作为冷却服中相变蓄冷模块的基础相变材料，分析测试了石蜡的相关性能。并采用组元添加的方法对其进行改性处理，研究了不同含量铝粉、石墨及膨胀石墨组元添加对石蜡相变材料热性能的影响。获得如下结果：1.石蜡材料体积膨胀率较小，约为6.2%，密度为0.8g/cm3，综合性能好，有利于降温服装的应用。‘’2.三种添加组元均能提升石蜡基体的导热效率，相比于添加石墨和铝粉，添加膨胀石墨后材料升温速率提升更加明显。添加含量2%时，材料的平均升温速率便已提升近40%，超过了添加15%铝粉和石墨的材料。添加8%膨胀石墨后材料升温速率提高2倍多，同时膨胀石墨与石蜡结合良好，表现出最好的优化效果。3.在水浴加热实验中，铝箔袋封装材料表现出较好的导热性，而复合袋封装后材料表现出一定的隔热作用。4.添加隔热布均能降低铝箔及复合封装袋材料的升温速率，使降温作用持续时间延长，其中铝箔封装袋材料延长25分钟，复合袋材料延长45分钟。5.2展望本文从组元添加的角度对石蜡相变材料进行了调温性能改善，但限于当前实验条件因素以及疫情的影响，在相变材料应用于夏micai服成品中的效果检验方面仍有许多工作值得进一步开展。主要包括微气候模拟仓实验及炎热环境下人体降温实验。1.微气候模拟仓实验。将微气候实验室使用加热器升温到某一恒定温度（35℃±2℃），让实验者先后穿上统一配发的夏micai服和含有相变模块的夏micai服进行端坐、站立及徒步巡逻，每次测试都将温度传感器固定在衣服的胸部、腰部、肩胛等预先设计好的部位，采用数据采集系统记录两次实验中人体各处表面温度的数值。同时记录测试过程中实验者穿着不同服装的主观感受，如热感觉、热舒适度、潮湿度等。采用红外测温设备全程记录人体的温度变化，对比降温服相比于普通服装的降温效果。2.夏季室外实验。相比于微气候模拟仓中环境可以人为设定，且长期保持恒定。自然环境下的测试可以更加体现相变服装的降温效果。在夏季炎热的室外，受测试人员穿着冷却服进行降温效果实验，实验时间为下午2点至4点，实验中使用的温度采集系统，及红外测温系统与微气候模拟仓中一致。实验结束后分析温度测试及红外热像图结果等参数。参考文献[1]HansenRH.Temperature-adaptableFabrics[P],US3607591[2]VigoTL,BrunoJS.TemperatureAdaptableTextileFibersandMethodofPerparingSame[P],W087078541.Shim.H.McCullough.[3]VigoTL，FrostCM.TemperatureAdoptableFabrics[J],TextileResJ,1986(12):737[4]张冬霞.相变材料在调温服装中的应用研究[D].北京服装学院2006.[5]张兴祥.PP/PEG蓄热调温复合纤维的纺丝与性能[J].天津纺织工学院学报，1999（18）：118.[6]石海峰，张兴祥.蓄热调温纺织品的研究与开发现状[J].纺织学报,2001(5)：63-65.[7]石海峰，张兴祥.微胶囊在蓄热调温纺织品中的应用[J].产业用纺织品，2001（12）:23.[8]曹虹霞,李和玉,张健飞.相变材料微胶囊的制备及应用[J].天津工业大学学报,2011(01):14-17.[9]张寅平,王馨，等.医用降温服装热性能与应用效果研究[J].暖通空调，2003,33:58-61[10]GAOC,KUKLANEK,HOLMERI.CoolingeffectofaPCMvestonathermalmanikinandonhumansexposedtoheat[C].Proceedingsof12thInternationalConferenceonEnvironmentalErgonomics.Biomeddoo,Ljubljana,Slovenia,2007,12:146-149.[11]CHOUC,TOCHIHARAY,KIMT.Physiologicalandsubjectiveresponsestocoolingdevicesonfirefightingprotectiveclothing[J].EuropeanJou