CN109892737A - 一种调温衬垫及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种调温衬垫及其制备方法和应用，该调温衬垫包括衬垫和位于衬垫内的相变调温材料，其中，按重量份计，该相变调温材料包括：相变材料：150～250份；溶剂：100～150份；柔软剂：1～5份；成核剂：1～5份；以及稳定剂：1～3份。该调温衬垫与头部接触进行调温，寒冷时释放热量，炎热时吸收热量，使头部处于舒适的温度。

Description

一种调温衬垫及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及调温衬垫，更具体地，涉及一种调温衬垫及其制备方法和应用。
背景技术
头盔主要由硬质盔壳、缓冲层以及柔性衬垫组成，由于头盔使用环境的特殊性，其缓冲材料一般采用热阻较大且有一定厚度的低密度泡沫塑料。头盔的这种对头部的“密封式”保护在一定程度上阻止了头部的排汗散热，不仅降低了头部的热舒适性，还对佩戴人员的视线造成了一定的干扰，导致警务人员不愿佩戴头盔，增加受伤风险。
为了解决以上问题，通常采用通气孔头盔或透气型头盔；通气孔头盔通过在头盔壳体上开设进风口以及出风口，形成空气循环流通，带走热量进行散热，这也是目前头盔的主流散热方式，但是，通气孔一方面降低防暴头盔防暴性能，另一方面限制头盔在冬季较为寒冷气候的使用；透气型头盔通过在头盔壳体下设置开放结构，有效保持通风，寒冷气候也可通过增加封闭环体保进行保暖。然而，封闭环体的加入增加了头盔制作成本，使用者需自行添加封闭环体，使用较为繁琐。
无论是通气孔头盔还是透气型头盔，都只是带走热量，并未改善头部舒适度，因此，急需一种能够改善头部舒适度并且保持适宜温度的衬垫。
发明内容
针对以上问题，本发明通过在衬垫结构中加入相变调温材料，使头部处于舒适温度环境，有效保持了头部舒适度，进而提高佩戴人员的热舒适性，减少受伤风险。
本发明提供了一种调温衬垫，包括：衬垫和位于所述衬垫内的相变调温材料，其中，按重量份计，所述相变调温材料包括：相变材料：150～250份；溶剂：100～150份；柔软剂：1～5份；成核剂：1～5份；以及稳定剂：1～3份。
在上述调温衬垫中，所述相变材料包括无机水合盐相变材料、无机微胶囊相变材料(由杭州鲁尔新材料科技有限公司生产)、有机微胶囊相变材料(由北京汇林盛达有限公司生产)和有机/无机复合微胶囊相变材料(由杭州鲁尔新材料科技有限公司生产)中的一种或多种。
在上述调温衬垫中，所述无机水合盐相变材料包括硫酸钠无机盐相变材料和醋酸钠无机盐相变材料中的一种或两种。
在上述调温衬垫中，所述溶剂包括水、乙醇中的一种或两种；所述柔软剂包括甘油、硅酸钠中的一种或两种。
在上述调温衬垫中，所述成核剂包括硼砂、Li2B4O7·10H2O(十水四硼酸锂)和(NH4)2B4O7·10H2O(十水四硼酸铵)中的一种或多种；所述稳定剂包明胶、树胶、聚丙烯酸钠和聚丙烯酰胺中的一种或多种。
在上述调温衬垫中，所述相变调温材料还包括0.1～0.5份的氯化钠。
本发明还提供了一种制备调温衬垫的方法，包括以下步骤：
将衬垫的内部的的热压复合处开设通气孔；将相变材料加入到溶剂中，再加入柔软剂、成核剂和稳定剂，得到混合溶液，并且将所述混合溶液加热至预设温度；以及将吸热熔化后的混合溶液注入至所述衬垫中，封口、冷却，得到调温衬垫。
在上述方法中，所述通气孔为20～40个。
在上述方法中，所述预设温度为80～90℃。
在上述方法中，所述相变材料包括无机水合盐相变材料、无机微胶囊相变材料、有机微胶囊相变材料和有机/无机复合微胶囊相变材料中的一种或多种；所述无机水合盐相变材料包括硫酸钠无机盐相变材料和醋酸钠无机盐相变材料中的一种或两种。
在上述方法中，还包括：在将所述混合溶液加热至预设温度之前，在所述混合溶液中加入氯化钠。
在上述方法中，所述相变材料、所述溶剂、所述柔软剂、所述成核剂、所述稳定剂和所述氯化钠的重量比为150～250:100～150:1～5:1～5:1～3:0.1～0.5。
本发明还提供了一种上述调温衬垫在头盔中的应用。
本发明通过在衬垫结构中加入相变调温材料制成调温衬垫，该调温衬垫与头部接触进行调温，寒冷时释放热量，炎热时吸收热量，使头部处于舒适的温度。相变调温材料是用于头盔的调温衬垫的主体，当物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，通过吸收或者释放热量维持头部舒适温度。该相变调温材料可使头部温度保持在27-32摄氏度左右，且具有保持时间持久、能反复使用、无毒无副作用等优点。
附图说明
图1是圆形调温衬垫结构示意图(1-热压缝隙；2-通气孔；3-圆形调温衬垫结构)。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
当外界的温度升高或由于剧烈的身体活动而导致头盔内温度升高达到相变材料相变温度时，相变调温材料开始熔化吸热；当外界温度降低或由于身体长时间处于静止状态,导致温度下降低于相变材料相变温度时，伴随着相变调温材料的固化，相变调温材料将释放出先前储存的能量，通过这样一个“动态”的热能储存和热能释放过程来调节人体温度的平衡，维持体温的恒定性，从而创造一个温度适宜的“微气候环境”。
通过本发明的配方和方法制备的调温衬垫可以使温度维持在27-32摄氏度左右，通过吸收或者释放热量维持头部舒适温度。
本发明提供了一种调温衬垫，包括：衬垫和相变调温材料，
其中，相变调温材料，按重量份计，包括：相变材料：150～250份；溶剂：100～150份；柔软剂：1～5份；成核剂：1～5份；以及稳定剂：1～3份。
其中，相变材料包括无机水合盐相变材料、无机微胶囊相变材料、有机微胶囊相变材料和有机/无机复合微胶囊相变材料中的一种或多种；无机水合盐相变材料包括硫酸钠无机盐相变材料和醋酸钠无机盐相变材料中的一种或两种；相变材料，具有相应的相变温度以及相变焓，通过吸收或释放大量的潜热来维持温度，保持温度在一定范围内变化。
溶剂，用于溶解相变材料，包括水、乙醇中的一种或两种。
柔软剂，具有柔软的作用，可有效提高相变材料固态柔软度，使得制备的相变材料更符合应用要求，包括甘油、硅酸钠中的一种或两种。
成核剂，可有效降低材料的过冷效应，包括硼砂、Li2B4O7·10H2O和(NH4)2B4O7·10H2O中的一种或多种。
稳定剂，提高相变调温材料的稳定性，防止相变材料因晃动团聚结块，包括明胶、树胶、聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺的一种或多种。
该相变调温材料还可以包括0.1～0.5份的氯化钠，氯化钠(盐)具有潜热值高、过冷度低的优点，是相变材料的蓄冷介质，氯化钠的使用进一步增加了该相变调温材料的循环性能和稳定性。
本发明还提供了一种制备调温衬垫的方法，包括以下步骤：
将成圆形的上下PVC复合面料周边、过圆心直线以及对称曲线(如图1所示)通过高频热压(功率：5～10KW，热压时间：0.1-9.99s)复合在一起(预留通道进行相变材料填充)；在圆形调温衬垫的内部热压复合缝隙开设20-40个通气孔(如图1所示)；
相变调温材料制备：把相变材料放入烧杯内，按配比加入溶剂，以40-60r/min的速度搅拌30～60min，再加入柔软剂剂、成核剂和稳定剂(还可以加入少量氯化钠)，以40-60r/min的速度继续搅拌，直至均匀，形成混合溶液。把混合溶液加热至80～90℃，让其基本熔化(不可能完全熔化)，备用。
将吸热熔化后的混合溶液通过小漏斗注入留有预留通道的圆形衬垫中，高频热合机(电源电压：50/60KHZ，输入功率：15KVA)封口；
将装好相变调温材料的调温衬垫放在阴凉通风处自然冷却，不断翻动该调温衬垫，以免局部冷却而结块，冷却至室温即得到调温衬垫。
其中，相变材料包括无机水合盐相变材料、无机微胶囊相变材料、有机微胶囊相变材料和有机/无机复合微胶囊相变材料中的一种或多种；无机水合盐相变材料包括硫酸钠无机盐相变材料和醋酸钠无机盐相变材料中的一种或两种；溶剂，包括水、乙醇中的一种或两种；柔软剂包括甘油、硅酸钠中的一种或两种；成核剂包括硼砂、Li2B4O7·10H2O和(NH4)2B4O7·10H2O中的一种或多种；稳定剂包括明胶、树胶、聚丙烯酸钠和聚丙烯酰胺中的一种或多种；相变材料、溶剂、柔软剂、成核剂、稳定剂和氯化钠的重量比为150～250:100～150:1～5:1～5:1～3:0.1～0.5。
该方法还包括将制备好的调温衬垫装入与头部契合的网眼布中；将泡棉与相变调温面料周边缝和，进而与装入调温衬垫的网眼布缝合形成与头部契合的衬垫；将完成好的调温内衬以按扣的形式与头盔结合，使得该调温衬垫可随时拆卸。
实施例1
将成圆形的上下PVC复合面料周边、过圆心直线以及对称曲线通过高频热压复合在一起(预留通道进行相变材料填充)；在圆形调温衬垫的内部热压复合缝隙开设30个通气孔；
相变调温材料制备：采用200份硫酸钠无机盐作为相变材料，加入120份水，以40r/min的速度搅拌60min，再加入2份甘油、2份硼砂、1份明胶和0.2份氯化钠，以40r/min的速度继续搅拌，直至均匀，形成混合溶液。把混合溶液加热至80℃，让其基本熔化，备用。
将吸热后的混合溶液通过小漏斗注入留有预留通道的圆形衬垫中，高频热合机封口；
将装好相变调温材料的调温衬垫放在阴凉通风处自然冷却，不断翻动该调温衬垫，以免局部冷却而结块，冷却至室温即得到调温衬垫。
实施例2
将成圆形的上下PVC复合面料周边、过圆心直线以及对称曲线通过高频热压复合在一起(预留通道进行相变材料填充)；在圆形调温衬垫的内部热压复合缝隙开设20个通气孔；
相变调温材料制备：采用150份有机微胶囊相变材料作为相变材料，加入100份乙醇，以50r/min的速度搅拌50min，再加入1份甘油、1份硼砂和Li2B4O7·10H2O(重量比为1:1)、1份聚丙烯酸钠和0.1份氯化钠，以60r/min的速度继续搅拌，直至均匀，形成混合溶液。把混合溶液加热至80℃，让其基本熔化，备用。
将吸热后的混合溶液通过小漏斗注入留有预留通道的圆形衬垫中，高频热合机封口；
将装好相变调温材料的调温衬垫放在阴凉通风处自然冷却，不断翻动该调温衬垫，以免局部冷却而结块，冷却至室温即得到调温衬垫。
实施例3
将成圆形的上下PVC复合面料周边、过圆心直线以及对称曲线通过高频热压复合在一起(预留通道进行相变材料填充)；在圆形调温衬垫的内部热压复合缝隙开设40个通气孔；
相变调温材料制备：采用250份无机微胶囊相变材料作为相变材料，加入150份乙醇，以60r/min的速度搅拌30min，再加入5份甘油和硅酸钠(重量比为1：1)、5份硼砂、3份明胶和聚丙烯酰胺(重量比为1:1)和0.5份氯化钠，以50r/min的速度继续搅拌，直至均匀，形成混合溶液。把混合溶液加热至80℃，让其基本熔化，备用。
将吸热后的混合溶液通过小漏斗注入留有预留通道的圆形衬垫中，高频热合机封口；
将装好相变调温材料的调温衬垫放在阴凉通风处自然冷却，不断翻动该调温衬垫，以免局部冷却而结块，冷却至室温即得到调温衬垫。
实施例4
将成圆形的上下PVC复合面料周边、过圆心直线以及对称曲线通过高频热压复合在一起(预留通道进行相变材料填充)；在圆形调温衬垫的内部热压复合缝隙开设30个通气孔；
相变调温材料制备：采用220份硫酸钠无机盐作为相变材料，加入120水和乙醇(体积比为1:1)，以40r/min的速度搅拌60min，再加入3份甘油、4份硼砂、2份树胶和聚丙烯酰胺(重量比为1:1)和0.3份氯化钠，以40r/min的速度继续搅拌，直至均匀，形成混合溶液。把混合溶液加热至80℃，让其基本熔化，备用。
将吸热后的混合溶液通过小漏斗注入留有预留通道的圆形衬垫中，高频热合机封口；
将装好相变调温材料的调温衬垫放在阴凉通风处自然冷却，不断翻动该调温衬垫，以免局部冷却而结块，冷却至室温即得到调温衬垫。
实施例5
将成圆形的上下PVC复合面料周边、过圆心直线以及对称曲线通过高频热压复合在一起(预留通道进行相变材料填充)；在圆形调温衬垫的内部热压复合缝隙开设25个通气孔；
相变调温材料制备：采用190份有机/无机复合微胶囊相变材料作为相变材料，加入110份乙醇，以45r/min的速度搅拌50min，再加入2份甘油、4份(NH4)2B4O7·10H2O、2份聚丙烯酸钠和0.5份氯化钠，以40r/min的速度继续搅拌，直至均匀，形成混合溶液。把混合溶液加热至80℃，让其基本熔化，备用。
将吸热后的混合溶液通过小漏斗注入留有预留通道的圆形衬垫中，高频热合机封口；
将装好相变调温材料的调温衬垫放在阴凉通风处自然冷却，不断翻动该调温衬垫，以免局部冷却而结块，冷却至室温即得到调温衬垫。
实施例6
将成圆形的上下PVC复合面料周边、过圆心直线以及对称曲线通过高频热压复合在一起(预留通道进行相变材料填充)；在圆形调温衬垫的内部热压复合缝隙开设30个通气孔；
相变调温材料制备：采用200份醋酸钠无机盐作为相变材料，加入120份水，以40r/min的速度搅拌60min，再加入3份硅酸钠、3份硼砂、2份聚丙烯酰胺和0.3份氯化钠，以40r/min的速度继续搅拌，直至均匀，形成混合溶液。把混合溶液加热至80℃，让其基本熔化，备用。
将吸热后的混合溶液通过小漏斗注入留有预留通道的圆形衬垫中，高频热合机封口；
将装好相变调温材料的调温衬垫放在阴凉通风处自然冷却，不断翻动该调温衬垫，以免局部冷却而结块，冷却至室温即得到调温衬垫。
以上份数均为重量份。
采用以下方法进行测试：
1、相变调温材料的相变温度和相变焓的测定：
方法：
差热扫描量热法(DSC)：在规定的气体环境及程序温度的控制下,测量输入到试样和参比样的热流速率差随温度和/或时间变化的关系，得到DSC特征曲线，分析得出相变材料相变温度以及相变焓。
测试参数：
氮气速率：50mL/min
升降温速率：10℃/min
温度范围：20-80℃
测试设备：DSC仪器
2、人体头部温度测定
方法：
热电偶测温技术：选用4名受试者，佩戴头盔，静坐在座椅上将热电偶固定于头顶部，通过精度为±0.1℃热电偶温度计实时记录温度变化。
测试设备：AZ8803热电偶温度计。
实施例1和实施例6中测试结果见下表1：
表1
由上表1可知，通过相变调温材料的控温作用，在室外温度36℃，头盔内部温度38.5℃情况下，调温衬垫可使头部温度稳定在28-32℃之间，这正是人体头部舒适的温度；这是由于本发明提供的调温衬垫能自动感应人体温度，调节温度，佩戴头盔后，通过不断吸收人体热量逐渐液化，无惧周围环境冷暖，保持头部温度舒适，头盔摘下后，在温度低于相变温度后，调温衬垫中的相变调温材料重新自动放热还原成固体粉末状，多次反复可循环使用。
此外，在本发明的调温衬垫使用中，探讨了调温衬垫中的相变调温材料的安放位置和封装问题以保证头部最舒适，
(1)安放位置：经调查研究，头部发热量每小时在100KJ以上，相变调温材料的相变焓仅在100-250KJ/Kg，为保证足够的吸热量，相变调温材料至少使用0.5Kg，将相变调温材料安放在紧靠头顶部的衬垫上，既可以使头部感受凉爽的温度变化，又方便随时拆卸，可有效减少相变调温材料用量；
(2)封装：由于相变调温材料吸热后由固态转为液态，不进行封装处理相变调温材料流淌影响使用，而封装材料多使用不透气材料，增加了头部密闭性，影响头部汗气的排放，因此，通过在衬垫内部热压缝隙开设通气孔有效地解决了汗气排放。
综上，本发明的调温内衬可应用于摩托车头盔、安全头盔、警用骑行头盔以及特警头盔等含有内衬的头盔，也可作为调温袋应用于防护背心、消防衣等。当外界的温度升高或由于剧烈的身体活动而导致头盔或者衣服内温度升高时，相变调温材料开始熔化吸热；当外界温度降低或由于身体长时间处于静止状态，导致温度下降时，伴随着相变调温材料的固化，相变材料将释放出先前储存的能量，通过这样一个“动态”的热能储存和热能释放过程来调节人体温度的平衡，维持体温的恒定性，从而为人体创造温度适宜的“微气候环境”。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (13)

1.一种调温衬垫，其特征在于，包括：
衬垫；
相变调温材料，位于所述衬垫内，其中，按重量份计，所述相变调温材料包括：
相变材料：150～250份；
溶剂：100～150份；
柔软剂：1～5份；
成核剂：1～5份；以及
稳定剂：1～3份。
2.根据权利要求1所述的调温衬垫，其特征在于，所述相变材料包括无机水合盐相变材料、无机微胶囊相变材料、有机微胶囊相变材料和有机/无机复合微胶囊相变材料中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的调温衬垫，其特征在于，所述无机水合盐相变材料包括硫酸钠无机盐相变材料和醋酸钠无机盐相变材料中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的调温衬垫，其特征在于，所述溶剂包括水、乙醇中的一种或两种；所述柔软剂包括甘油、硅酸钠中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的调温衬垫，其中，所述成核剂包括硼砂、Li2B4O7·10H2O和(NH4)2B4O7·10H2O中的一种或多种；所述稳定剂包括明胶、树胶、聚丙烯酸钠和聚丙烯酰胺中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的调温衬垫，其特征在于，所述相变调温材料还包括0.1～0.5份的氯化钠。
7.一种制备调温衬垫的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将衬垫的内部的热压复合处开设通气孔；
将相变材料加入到溶剂中，再加入柔软剂、成核剂和稳定剂，得到混合溶液，并且将所述混合溶液加热至预设温度；以及
将吸热熔化后的混合溶液注入至所述衬垫中，封口、冷却，得到调温衬垫。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通气孔为20～40个。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预设温度为80～90℃。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相变材料包括无机水合盐相变材料、无机微胶囊相变材料、有机微胶囊相变材料和有机/无机复合微胶囊相变材料中的一种或多种；所述无机水合盐相变材料包括硫酸钠无机盐相变材料和醋酸钠无机盐相变材料中的一种或两种。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：在将所述混合溶液加热至预设温度之前，在所述混合溶液中加入氯化钠。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述相变材料、所述溶剂、所述柔软剂、所述成核剂、所述稳定剂和所述氯化钠的重量比为150～250:100～150:1～5:1～5:1～3:0.1～0.5。
13.根据权利要求1～6中任一项所述的调温衬垫在头盔中的应用。
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