ارزیابی پویای حرارتی پارچه‌های هوشمند حرارتی

علی صفوی

دکترای مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

در این پژوهش سعی شده است تا تأثیرات نوع و مقدار مواد تغییرفازدهنده در لایه‌های پارچه در یک شرایط نسبی شبیه‌سازی شده محیطی و بدنی، به صورت تجربی مورد بررسی قرارگیرد. برای این منظور، پارچه‌های بی‌بافت تهیه گردیده و میکروکپسول‌های حاوی مواد تغییرفازدهنده (PCM[1]) در دو نوع مختلف (به جهت دمای ذوب) و با درصدهای مختلف به روش آغشته‌سازی به ساختار پارچه‌ها اضافه گردید. جهت تعیین خواص حرارتی پارچه‌ها، آزمون‌هایی نظیر اندازه‌گیری مقاومت حرارتی پارچه و DSC[2]  روی پارچه‌ها انجام شد. همچنین، ارزیابی رفتار دینامیکی انتقال حرارت پارچه‌ها توسط دستگاهی تحت عنوان دستگاه ارزیابی دینامیکی انتقال حرارت- شبیه‌ساز پوست بدن، انجام گرفت. نتایج نشان داد که نوع (نقطه ذوب ماده تغییرفازدهنده) و همچنین، مقدار مواد تغییرفازدهنده در پارچه بر روی رفتار حرارتی پارچه تأثیر چشمگیری دارد.

مقدمه

تغيير فاز، فرايند تغيير از يك حالت فيزيكي به حالت ديگر مثلاً جامد به مايع و برعكس مي‌باشد. جهت كاربرد در صنعت نساجي معمولاً مواد تغييرفازدهنده به صورت ميكروكپسول‌هاي حاوي مواد تغييرفاز در ساختار منسوج بكارگرفته مي‌شوند. .هنگامي كه دما افزايش مي‌يابد، مواد تغييرفازدهندهِ درون ميكروكپسول با جذب گرما و ذخيره اين انرژي، به مايع تبديل مي‌شوند. وقتي دما كاهش مي‌يابد، انر‍ژي ذخيره شده آزاد و مواد تغييرفازدهنده به جامد تبديل مي‌شوند. اين خاصيت، قابليت عايق حرارتي منسوج را بهبود مي بخشد و به طور معناداري از خصوصيات عايقي ساير مواد متفاوت است. منسوج حاوي اين مواد، علاوه بر عايق استاتيك معمولي، داراي عايق ديناميك نيز مي‌باشد كه درنتيجه جذب و نشر گرما بدست مي‌آيد [۳-۱].

به منظور استفاده بهينه البسه هوشمند متعادل‌کننده دما و به منظور بهره‌گيري حداکثري از ظرفيت لباس، لازم است که شرايط سامانه‌ لباس پوشنده، شرايط محيطي که پوشنده در آن قرار دارد و همچنين، شرايط بدني شخص پوشنده از جمله ميزان فعاليت بدني فرد، در طراحي لباس مورد توجه قرار گيرد.

لايه‌های لباس و لايه‌هاي هوای بين آن‌ها نقش فوق‌العاده‌ای در تعيين سطح حفاظت لباس و از طرفي ميزان راحتي لباس به ويژه راحتي گرمايي آن دارد.

لذا، نحوه بکارگيري مواد تغییرفازدهنده در لايه‌هاي مختلف لباس يک موضوع بسيار پراهميت در طراحي البسه خواهد بود. بررسي نحوه توزيع مواد تغییرفازدهنده در لايه‌هاي لباس به اين معني که در هر لايه چه مقدار و از چه نوع مواد تغییرفازدهنده استفاده شود، به تبادل گرمايي بين لايه‌هاي لباس و همچنين، به نحوه انتقال حرارت و توزيع دما در لايه‌هاي لباس بستگي دارد. بنابراين، با طراحي مناسب لايه‌ها و مهندسي چيدمان آن‌ها مي‌توان با انتخاب بهينه نوع و مقدار مواد تغییرفازدهنده در هر يک از لايه‌هاي لباس، حداکثر بهره‌وري از لباس را در شرايط خواسته شده به عمل آورد ]۵-۳[.

در این پژوهش سعی شده است تا تأثیرات نوع و مقدار مواد تغییرفازدهنده در لایه‌های پارچه در یک شرایط نسبی شبیه‌سازی شده محیطی و بدنی، به صورت تجربی مورد بررسی قرارگیرد.

تجربیات

در اين تحقيق از لايه‌هاي حاوي و بدون مواد تغییرفازدهنده با مشخصات جدول ۱ استفاده شده است:

جدول۱- ساختار و ویژگی‌های  نمونه پارچه‌ها

همه لايه‌هاي پارچه داراي ساختار مشابه بوده و ميكروكپسول‌هاي حاوي مواد تغییرفازدهنده‌ به روش آغشته‌سازي (Impregnation) درون لايه‌ها بكارگرفته شده است. از دو نوع مواد تغییرفازدهنده‌ اكتادكان و هگزادكان و با درصدهاي مختلف (طبق جدول ۱)، نمونه‌ها تهيه شده است. جزئيات مشخصات لايه‌ها در جدول ۱ نیز ارائه گرديده است.

ارزیابی نمونه ها و نتایج

آزمون آنالیز حرارتی DSC برای اندازه گیری میزان ذخیره‌سازی انرژی گرمایی نمونه‌ها انتخاب شد. این آزمون با نرخ گرمادهی ^°C/min5 بر روی نمونه‌ها انجام پذیرفت. شکل ۱ مقایسه نتایج آزمون DSC را برای نمونه بدون مواد تغییرفازدهنده و نمونه حاوی مقدار بیشینه مواد تغییرفازدهنده نشان می‌دهد. انرژی ذخیره شده نمونه کد ۲۰۲، برابر با J/gr 33/79 می‌باشد.

شکل۲-  نتایج DSC  : الف) پارچه بدون مواد تغییرفازدهنده ب) پارچه کد ۲۰۲  حاوی ۸۵% میکروکپسول مواد تغییرفازدهنده

ارزیابی پویا(دینامیکی) رفتار حرارتی

در اين پژوهش، دستگاه ارزيابي ديناميكي انتقال حرارت – شبيه ساز پوست بدن جهت ارزيابي رفتار حرارتی بين لايه‌هاي منسوج و همچنين تأثير آن‌ها روي دماي سطح پوست، طراحي و ساخته شد و طبق یک برنامه مشخص، نمونه‌ها مورد ارزیابی حرارتی دینامیکی قرارگرفتند. بعد از آماده سازی نمونه، آزمون مذکور در دمای محیط برابر صفر درجه سانتی‌گراد انجام شده است. شکل ۲ مقایسه نتایج دمای سطح پوست را در نمونه‌های مختلف نشان می‌دهد.

شکل۲- نمودار افت دما- زمان نمونه‌های مختلف

همانگونه که شکل ۲ نشان می‌دهد، هم نقطه ذوب ماده تغییرفازدهنده و هم مقدار آن، عامل‌های تعیین کننده‌ای برای ارزیابی رفتار حرارتی پارچه تیمارشده توسط این مواد می‌باشند. با توجه به اطلاعات جدول ۱، کدهای ۲۰۱ و ۲۰۲ در شکل ۲ به ترتیب مربوط به نمونه‌های حاوی %۶۰ اکتادکان با دمای ذوب ^°C 28 و %۸۵ اکتادکان با دمای ذوب ^°C 28 می‌باشند. همچنین، کدهای ۲۰۳ و ۲۰۴ در شکل ۲ به ترتیب مربوط به نمونه‌های حاوی %۶۰ هگزادکان با دمای ذوب ^°C 18 و %۸۵ هگزادکان با دمای ذوب ^°C 18 است و نمونه با کد Blank حاوی هیچ ماده تغییرفازی نمی‌باشد. نمودارها نشان می‌دهند هنگامی که مجموعه پارچه و شبیه‌ساز پوست، به طور ناگهانی در معرض محیط سرد با دمای صفر درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند، نمونه‌های حاوی مواد تغییرفازدهنده باعث می‌شوند دمای سطح پوست با شیب کمتری کاهش نماید. همچنین، حداقل مقدار دما در نمونه‌های حاوی مواد تغییرفازدهنده بیشتر از نمونه Blank می‌باشد. این رفتار به دلیل پدیده تغییرفاز و به دنبال آن، رهایش گرما و در نتیجه کاهش نرخ تغییر دما در پارچه می‌باشد. از طرفی نمودار کاهش دما، بسته به نوع ماده تغییرفازدهنده رفتار متفاوتی را نشان می‌دهد که این رفتار به دلیل تفاوت در نقطه‌ای است که در آن عملیات تغییرفاز اتفاق می‌افتد.

نتیجه گیری

در این پژوهش پارچه‌های بی‌بافت تهیه گردیده و میکروکپسول‌های حاوی مواد تغییرفازدهنده در دو نوع مختلف (به جهت دمای ذوب)و همچنین، با درصدهای مختلف به روش آغشته‌سازی به ساختار پارچه‌ها اضافه گردید. نتایج ارزیابی رفتار دینامیکی انتقال حرارت پارچه‌ها که توسط دستگاه ارزیابی دینامیکی انتقال حرارت- شبیه‌ساز پوست بدن انجام گرفت، نشان داد که نوع (نقطه ذوب ماده تغییرفازدهنده) و همچنین، مقدار مواد تغییرفازدهنده در پارچه بر روی رفتار حرارتی پارچه تأثیر قابل توجهی دارد.

مراجع

• G., “Microencapsulation in textile finishing, Review of Progress in Coloration”, vol.31, pp. 57–۶۴, ۲۰۰۱٫
• M.A. and Al-Hinti. I., “Analysis of heat transfer during the melting of a phase-change material”, Applied Thermal Engineering, vol.24, no.13, pp.1935–۱۹۴۴, ۲۰۰۴٫
• M.M., Khudhair. A.M., Razack. S.A.K. and Al-Hallaj. S., “A review on phase change energy storage: materials and applications, Energy Conversion and Management”, vol. 45, no. 9–۱۰, pp. 1597–۱۶۱۵, ۲۰۰۴٫
• Richard A. Scott., “Textiles for protection”, Woodhead Publishing Limited Pub, Cambridge, England, 2005.
• Douglas C Hittle; Tifani L Andre., “A new test instrument and procedure for evaluation of fabrics containing phase change material”, ASHRAE Transactions, Career and Technical Education, vol. 108, pp. 175-182, 2002.