CN112297556A - 一种相变加热复合面料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种相变加热复合面料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于服装技术领域，更具体地，涉及一种相变加热复合面料及其制备方法和应用。本发明一种相变加热复合面料，从外至内依次包括衣服外层面料(1)、外侧保温层(3)、储热单元(2)、内侧保温层(6)、衣服内层面料(7)，所述储热单元(2)被外侧保温层(3)和内侧保温层(6)密封，所述储热单元(2)包括相变微胶囊(5)及储热单元密封层(4)，所述相变微胶囊(5)被所述储热单元密封层(4)密封在内部，所述相变微胶囊(5)能够利用微波加热实现储热。本发明的相变加热复合面料，通过微波加热实现储能功能，达到“即需即用”的效果，再利用相变微胶囊的“热缓释”特性，逐渐释放热量供给人体，更加安全便捷。

Description

一种相变加热复合面料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于服装技术领域，更具体地，涉及一种相变加热复合面料及其制备方法和应用。
背景技术
随着科技的进步，服装越来越朝着功能型、轻便型的方向发展。为了满足部分人群在寒冷环境中工作或活动的需求，一些具备加热功能的服装已被设计出来并走向了市场。目前市面上或者已申请专利保护的加热服装主要为电加热服，其基本原理是通过自身携带的移动电源给埋藏在衣服夹层内的电加热器件(如加热丝，电热片等)供电，电加热器件自发热，通过热传导的方式将热量传递给人皮肤表面，以补充人体在低温环境下散失的热量。电加热服原理简单，技术成熟，但存在以下几点不足：1)移动电源加热电加热器件，功耗一般不高，因此升温速率慢，需要一定的时间才能达到使用者的需求温度，不能立即使用；2)移动电源、电加热器件等附件增大了加热服的重量，且体积臃肿，不美观；3)服装内部加热丝等发热材料通常采用铆接、压接等机械方式联接，可靠性差，有起火等安全隐患；4)加热服内含有电子器件，不能直接水洗，拆洗十分不便。
相变材料由于其显著的储热能力和近乎不变的相变温度，可以将大量热能临时储存，在需要时候再将热量逐渐释放，已经在暖手宝、宠物垫等上有应用。然而，相变材料在加热服上的应用很少，原因在于相变材料需要先吸收热量后续方可利用储存的热量，而通常储热的方法为给相变材料外表面加热，通过热传导的方式逐步给相变材料整体加热。这种蓄热方式效率很低，储热时间很长，且需要一个高温环境对其进行加热，普通家庭使用起来非常不便，因而限制了相变材料在加热服上的应用。
与通过热传导的蓄热方式对比，微波加热速度快且均匀，能够直接穿透到材料内部，对材料进行“体加热”，且几乎每个家庭都具备微波加热的条件，有望应用于相变材料的快速蓄热上。但目前尚未见到利用微波加热使相变材料快速储能、并应用于加热服的报道。
发明内容
针对现有技术电加热服蓄热慢、服装臃肿、存在安全隐患、拆洗不便等缺陷，本发明提供了一种可微波快速蓄热、再缓慢放热的相变加热复合面料，通过微波加热实现储能功能，达到“即需即用”的效果，再利用相变微胶囊的“热缓释”特性，逐渐释放热量供给人体，以实现保暖的效果，改变了传统的热传导的蓄热方式，更加安全便捷。本发明的详细技术方案如下所述。
一种相变加热复合面料，从外至内依次包括衣服外层面料、外侧保温层、储热单元、内侧保温层、衣服内层面料，所述储热单元被外侧保温层和内侧保温层密封，所述储热单元包括相变微胶囊及储热单元密封层，所述相变微胶囊被所述储热单元密封层密封在内部，所述相变微胶囊能够利用微波加热实现储热。
作为优选，所述相变微胶囊的复介电常数的实部数值在2.5以上，虚部数值在0.2以上。
作为优选，所述相变微胶囊相变温度为40-60℃。
作为优选，所述相变微胶囊包括胶囊壁和胶囊芯，所述胶囊壁将所述胶囊芯密封在其内部，所述胶囊壁包括吸波材料，所述胶囊芯为相变材料制备而成。
作为优选，所述吸波材料包括石墨烯、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、Fe3O4粒子、还原氧化石墨烯、碳化硅、铁氧体、磁性铁纳米材料中的任意一种，所述胶囊芯为月桂酸、硬脂酸丁酯、石蜡、三水醋酸钠、十二水硫酸氢钠、五水硫代硫酸钠、伍德合金中的任意一种。
作为优选，所述储热单元密封层材料为PU、TPU、PVC中的任意一种。
作为优选，所述储热单元为方形，边长为3-6cm，厚度为2-4mm。
作为优选，内侧保温层及外侧保温层为纳米气凝胶，厚度为3-6mm，所述衣服内层面料和所述衣服外层面料为天然纤维面料或化纤面料构成。
作为本发明的第二方面，还包括前面所述的可微波加热的相变加热复合面料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将储热单元密封层材料裁出矩形面料，对折，两边用热熔工艺密封，从最后一边填充相变微胶囊至挤出空气，再用热熔工艺将最后一边密封，获得储热单元；
(2)衣服外层面料上覆盖外侧保温层，再将储热单元均匀分布于外侧保温层上，然后将内侧保温层覆盖到储热单元之上；
(3)将衣服外层面料、外侧保温层、储热单元、内侧保温层缝制到一起，将衣服内层面料覆盖在内侧保温层之上，四周与内侧保温层缝制在一起，即可获得成品。
作为本发明的第二方面，还保护前面所述的相变加热复合面料的应用，所述相变加热复合面料能够利用微波加热升温保温，所述微波加热的功率为800-1000W,频率为2-2.45GHz，微波加热时间为30-60s。
本发明的有益效果有：
(1)一种可微波加热的相变加热复合面料采用可吸波的相变微胶囊作为蓄热材料，有效地消除了传统电加热服升温速率慢、加热时间长的缺陷。同时本加热服为被动式加热，无需额外电源即可使用，更加轻便。采用防水材料封装储热单元，使整衣能够直接洗涤、无需拆卸储热单元，有效地消除了传统电加热服不易清洗的缺陷。使用前将整衣置于微波炉内短暂加热即可实现快速蓄能，可以马上穿着以抵御严寒天气；
(2)本发明的相变加热复合面料，通过微波加热实现储能功能，达到“即需即用”的效果，再利用相变微胶囊的“热缓释”特性，逐渐释放热量供给人体，以实现保暖的效果，改变了传统的热传导的蓄热方式，更加安全便捷。
附图说明
图1为一种可微波加热的相变加热复合面料外观示意图；
图2为一种可微波加热的相变加热复合面料内每层材料的结构示意图。
图3为按照实施例1设计制成的储热单元及两侧保温层经过微波加热时储热单元的体平均温度和接触皮肤面的温度曲线。
图4为按照实施例1设计制成的储热单元及两侧保温层经过微波加热后降温的曲线。
图5为按照实施例2设计制成的储热单元及两侧保温层经过微波加热时储热单元的体平均温度和接触皮肤面的温度曲线。
图6为按照实施例2设计制成的储热单元及两侧保温层经过微波加热后降温的曲线。
图7为按照实施例3设计制成的储热单元及两侧保温层经过微波加热时储热单元的体平均温度和接触皮肤面的温度曲线。
图8为按照实施例3设计制成的储热单元及两侧保温层经过微波加热后降温的曲线。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：衣服外层面料1，储热单元2，外侧保温层3，储热单元密封层4，相变微胶囊5，内侧保温层6，衣服内层面料7。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例
一种相变加热复合面料，通过以下方法制备而成：
(1)将储热单元密封层材料裁出一定尺寸的矩形面料，对折，两边用热熔工艺密封，从最后一边填充相变微胶囊至挤出空气，再用热熔工艺将最后一边密封，获得储热单元；
(2)衣服外层面料上覆盖外侧保温层，再将储热单元均匀分布于外侧保温层上，然后将内侧保温层覆盖到储热单元之上；
(3)将衣服外层面料、外侧保温层、储热单元、内侧保温层缝制到一起，将衣服内层面料覆盖在内侧保温层之上，四周与内侧保温层缝制在一起，即可获得成品。
一种相变加热复合面料，从外至内依次包括衣服外层面料1、外侧保温层3、储热单元2、内侧保温层6、衣服内层面料7，所述储热单元2被外侧保温层3和内侧保温层6密封，所述储热单元2包括相变微胶囊5及储热单元密封层4，所述相变微胶囊5被所述储热单元密封层4密封在内部，所述相变微胶囊5能够利用微波加热实现储热，所述相变微胶囊5的复介电常数的实部数值在2.5以上，虚部数值在0.2以上，所述相变微胶囊(5)相变温度为40-60℃。
作为优选的实施例，所述相变微胶囊5包括胶囊壁和胶囊芯，所述胶囊壁将所述胶囊芯密封在其内部，所述胶囊壁主体为二氧化硅制备而成，并且包含吸波材料，所述胶囊芯为相变材料制备而成。所述胶囊壁包含石墨烯、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、Fe3O4粒子、还原氧化石墨烯、碳化硅、铁氧体、磁性铁纳米材料中的任意一种，所述胶囊芯为月桂酸、硬脂酸丁酯、石蜡、三水醋酸钠、十二水硫酸氢钠、五水硫代硫酸钠、伍德合金中的任意一种。
作为优选的实施例，所述储热单元密封层4材料为PU、TPU、PVC中的任意一种。
作为优选的实施例，所述储热单元2为方形，边长为3-6mm，厚度为2-4mm。
作为优选的实施例，内侧保温层6及外侧保温层3为纳米气凝胶，厚度为3-6mm，所述衣服内层面料7和所述衣服外层面料1为天然纤维面料或化纤面料构成。
应用实施例
应用本发明相变加热复合面料时通过微波加热蓄能，微波加热的功率为800W,微波频率为2-2.45GHz，微波加热20-45s，储热单元能达到60℃左右，随后经由保温层缓慢放热，热量经过内侧保温层6传导到人体。
实施例1
一种相变加热复合面料，通过以下方法制备而成：
(1)将储热单元密封层材料裁出一定尺寸的矩形面料，对折，两边用热熔工艺密封，从最后一边填充相变微胶囊至挤出空气，再用热熔工艺将最后一边密封，获得储热单元；
(2)衣服外层面料上覆盖外侧保温层，再将储热单元均匀分布于外侧保温层上，然后将内侧保温层覆盖到储热单元之上；
(3)将衣服外层面料、外侧保温层、储热单元、内侧保温层缝制到一起，将衣服内层面料覆盖在内侧保温层之上，四周与内侧保温层缝制在一起，即可获得成品。
一种相变加热复合面料，从外至内依次包括衣服外层面料1、外侧保温层3、储热单元2、内侧保温层6、衣服内层面料7，所述储热单元2被外侧保温层3和内侧保温层6密封，所述储热单元2包括相变微胶囊5及储热单元密封层4，所述相变微胶囊5被所述储热单元密封层4密封在内部，所述相变微胶囊5能够利用微波加热实现储热，所述相变微胶囊5相变温度为40℃。
所述相变微胶囊5包括胶囊壁和胶囊芯，所述胶囊壁将所述胶囊芯密封在其内部，所述胶囊壁主体为二氧化硅制备而成，并且掺杂吸波材料，所述胶囊芯为相变材料制备而成。所述胶囊壁掺杂Fe3O4粒子，所述胶囊芯为石蜡。
所述储热单元中的相变微胶囊5的复介电常数的实部数值为3，虚部数值为0.3。所述储热单元密封层4材料为TPU布。所述储热单元2为方形，边长为6cm，厚度为4mm。内侧保温层6及外侧保温层3为纳米气凝胶，边长为6cm，厚度为6mm，所述衣服内层面料7和所述衣服外层面料1为天然纤维面料构成。
应用本实施例的相变加热复合面料时通过微波加热蓄能，微波加热的功率为800W,微波频率为2.45GHz，本实施例的仿真加热曲线如图3所示，储热单元先发生相变，相变时维持在40℃的相变温度基本保持不变，经过微波加热42s，储热单元的体平均温度能达到60℃左右，同时随后经由保温层缓慢放热，热量经过内侧保温层6传导到人体，放热的仿真曲线如图4所示(外部温度为0℃)，储热单元先经历相变放热，相变时维持在40℃的相变温度基本不变，相变结束之后温度下降；由于储热单元的加热，接触皮肤面的温度先升高，后随着储热单元的降温而缓慢降温，温度始终低于储热单元的温度，整个降温过程中，维持在33℃以上的时间可长达80min。
实施例2
一种相变加热复合面料，通过以下方法制备而成：
(1)将储热单元密封层材料裁出一定尺寸的矩形面料，对折，两边用热熔工艺密封，从最后一边填充相变微胶囊至挤出空气，再用热熔工艺将最后一边密封，获得储热单元；
(2)衣服外层面料上覆盖外侧保温层，再将储热单元均匀分布于外侧保温层上，然后将内侧保温层覆盖到储热单元之上；
(3)将衣服外层面料、外侧保温层、储热单元、内侧保温层缝制到一起，将衣服内层面料覆盖在内侧保温层之上，四周与内侧保温层缝制在一起，即可获得成品。
一种相变加热复合面料，从外至内依次包括衣服外层面料1、外侧保温层3、储热单元2、内侧保温层6、衣服内层面料7，所述储热单元2被外侧保温层3和内侧保温层6密封，所述储热单元2包括相变微胶囊5及储热单元密封层4，所述相变微胶囊5被所述储热单元密封层4密封在内部，所述相变微胶囊5能够利用微波加热实现储热，所述相变微胶囊5相变温度为50℃。
所述相变微胶囊5包括胶囊壁和胶囊芯，所述胶囊壁将所述胶囊芯密封在其内部，所述胶囊壁主体为二氧化硅制备而成，并且掺杂吸波材料，所述胶囊芯为相变材料制备而成。所述胶囊壁掺杂纳米SiC，所述胶囊芯为石蜡。
所述储热单元中的相变微胶囊5的复介电常数的实部数值为2.5，虚部数值为0.5。所述储热单元密封层4材料为TPU布。所述储热单元2为方形，边长为5cm，厚度为4mm。内侧保温层6及外侧保温层3为纳米气凝胶，边长为5cm，厚度为5mm，所述衣服内层面料7和所述衣服外层面料1为天然纤维面料构成。
应用本实施例的相变加热复合面料时通过微波加热蓄能，微波加热的功率为800W,微波频率为2.45GHz，本实施例的仿真加热曲线如图5示，储热单元先发生相变，相变时维持在50℃的相变温度基本保持不变，经过微波加热16s，储热单元的体平均温度能达到60℃左右，同时随后经由保温层缓慢放热，热量经过内侧保温层6传导到人体，放热的仿真曲线如图6示(外部温度为0℃)，储热单元先经历相变放热，相变时维持在50℃的相变温度基本不变，相变结束之后温度下降；由于储热单元的加热，接触皮肤面的温度先升高，后随着储热单元的降温而缓慢降温，温度始终低于储热单元的温度，整个降温过程中，维持在33℃以上的时间可长达45min。
实施例3
一种相变加热复合面料，通过以下方法制备而成：
(1)将储热单元密封层材料裁出一定尺寸的矩形面料，对折，两边用热熔工艺密封，从最后一边填充相变微胶囊至挤出空气，再用热熔工艺将最后一边密封，获得储热单元；
(2)衣服外层面料上覆盖外侧保温层，再将储热单元均匀分布于外侧保温层上，然后将内侧保温层覆盖到储热单元之上；
(3)将衣服外层面料、外侧保温层、储热单元、内侧保温层缝制到一起，将衣服内层面料覆盖在内侧保温层之上，四周与内侧保温层缝制在一起，即可获得成品。
一种相变加热复合面料，从外至内依次包括衣服外层面料1、外侧保温层3、储热单元2、内侧保温层6、衣服内层面料7，所述储热单元2被外侧保温层3和内侧保温层6密封，所述储热单元2包括相变微胶囊5及储热单元密封层4，所述相变微胶囊5被所述储热单元密封层4密封在内部，所述相变微胶囊5能够利用微波加热实现储热，所述相变微胶囊5相变温度为55℃。
所述相变微胶囊5包括胶囊壁和胶囊芯，所述胶囊壁将所述胶囊芯密封在其内部，所述胶囊壁主体为二氧化硅制备而成，并且掺杂吸波材料，所述胶囊芯为相变材料制备而成。所述胶囊壁掺杂碳纳米管，所述胶囊芯为三水醋酸钠。
所述储热单元中的相变微胶囊5的复介电常数的实部数值为3，虚部数值为0.5。所述储热单元密封层4材料为PVC布。所述储热单元2为方形，边长为4cm，厚度为4mm。内侧保温层6及外侧保温层3为纳米气凝胶，边长为4cm，厚度为5mm，所述衣服内层面料7和所述衣服外层面料1为化纤面料构成。
应用本实施例的相变加热复合面料时通过微波加热蓄能，微波加热的功率为1000W,微波频率为2.45GHz，本实施例的仿真加热曲线如图7示，储热单元先发生相变，相变时维持在55℃的相变温度基本保持不变，经过微波加热5s，储热单元的体平均温度能达到60℃左右，同时随后经由保温层缓慢放热，热量经过内侧保温层6传导到人体，放热的仿真曲线如图8所示(外部温度为0℃)，储热单元先经历相变放热，相变时维持在55℃的相变温度基本不变，相变结束之后温度下降；由于储热单元的加热，接触皮肤面的温度先升高，后随着储热单元的降温而缓慢降温，温度始终低于储热单元的温度，整个降温过程中，维持在33℃以上的时间可长达50min。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相变加热复合面料，其特征在于，从外至内依次包括衣服外层面料(1)、外侧保温层(3)、储热单元(2)、内侧保温层(6)、衣服内层面料(7)，所述储热单元(2)被外侧保温层(3)和内侧保温层(6)密封，所述储热单元(2)包括相变微胶囊(5)及储热单元密封层(4)，所述相变微胶囊(5)被所述储热单元密封层(4)密封在内部，所述相变微胶囊(5)能够利用微波加热实现储热。
2.根据权利要求1所述的相变加热复合面料，其特征在于，所述相变微胶囊(5)的复介电常数的实部数值在2.5以上，虚部数值在0.3以上。
3.根据权利要求2所述的相变加热复合面料，其特征在于，所述相变微胶囊(5)相变温度为40-60℃。
4.根据权利要求2所述的相变加热复合面料，其特征在于，所述相变微胶囊(5)包括胶囊壁和胶囊芯，所述胶囊壁将所述胶囊芯密封在其内部，所述胶囊壁包括吸波材料，所述胶囊芯为相变材料制备而成。
5.根据权利要求4所述的相变加热复合面料，其特征在于，所述吸波材料包括石墨烯、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、Fe3O4粒子、还原氧化石墨烯、碳化硅、铁氧体、磁性铁纳米材料中的任意一种，所述胶囊芯为月桂酸、硬脂酸丁酯、石蜡、三水醋酸钠、十二水硫酸氢钠、五水硫代硫酸钠、伍德合金中的任意一种。
6.根据权利要求2所述的相变加热复合面料，其特征在于，所述储热单元密封层(4)材料为PU、TPU、PVC中的任意一种。
7.根据权利要求2所述的相变加热复合面料，其特征在于，所述储热单元(2)为方形，边长为3-6cm，厚度为2-4mm。
8.根据权利要求7所述的相变加热复合面料，其特征在于，内侧保温层(6)及外侧保温层(3)为纳米气凝胶，边长为3-6cm，厚度为3-6mm，所述衣服内层面料(7)和所述衣服外层面料(1)为天然纤维面料或化纤面料构成。
9.根据权利要求1-8任一项所述的相变加热复合面料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将储热单元密封层材料裁出矩形面料，对折，两边用热熔工艺密封，从最后一边填充相变微胶囊挤出空气，再用热熔工艺将最后一边密封，获得储热单元；
(2)衣服外层面料上覆盖外侧保温层，再将储热单元均匀分布于外侧保温层上，然后将内侧保温层覆盖到储热单元之上；
(3)将衣服外层面料、外侧保温层、储热单元、内侧保温层缝制到一起，将衣服内层面料覆盖在内侧保温层之上，四周与内侧保温层缝制在一起，即可获得成品。
10.根据权利要求1-8任一项所述的相变加热复合面料的应用，其特征在于，所述相变加热复合面料能够利用微波加热升温保温，所述微波加热的功率为800-1000W,频率为2-2.45GHz，微波加热时间为5-60s。
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