ارزیابی پویای حرارتی پارچه‌های هوشمند حرارتی

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) 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 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

تغییر فاز، فرایند تغییر از یك حالت فیزیكی به حالت دیگر مثلاً جامد به مایع و برعكس می‌باشد. جهت كاربرد در صنعت نساجی معمولاً مواد تغییرفازدهنده به صورت میكروكپسول‌های حاوی مواد تغییرفاز در ساختار منسوج بكارگرفته می‌شوند. .هنگامی كه دما افزایش می‌یابد، مواد تغییرفازدهندهِ درون میكروكپسول با جذب گرما و ذخیره این انرژی، به مایع تبدیل می‌شوند. وقتی دما كاهش می‌یابد، انر‍ژی ذخیره شده آزاد و مواد تغییرفازدهنده به جامد تبدیل می‌شوند. این خاصیت، قابلیت عایق حرارتی منسوج را بهبود می بخشد و به طور معناداری از خصوصیات عایقی سایر مواد متفاوت است. منسوج حاوی این مواد، علاوه بر عایق استاتیك معمولی، دارای عایق دینامیك نیز می‌باشد كه درنتیجه جذب و نشر گرما بدست می‌آید.

به منظور استفاده بهینه البسه هوشمند متعادل‌کننده دما و به منظور بهره‌گیری حداکثری از ظرفیت لباس، لازم است که شرایط سامانه‌ لباس پوشنده، شرایط محیطی که پوشنده در آن قرار دارد و همچنین، شرایط بدنی شخص پوشنده از جمله میزان فعالیت بدنی فرد، در طراحی لباس مورد توجه قرار گیرد.

لایه‌های لباس و لایه‌های هوای بین آن‌ها نقش فوق‌العاده‌ای در تعیین سطح حفاظت لباس و از طرفی میزان راحتی لباس به ویژه راحتی گرمایی آن دارد.

لذا نحوه بکارگیری مواد تغییرفازدهنده در لایه‌های مختلف لباس یک موضوع بسیار پراهمیت در طراحی البسه خواهد بود. بررسی نحوه توزیع مواد تغییرفازدهنده در لایه‌های لباس به این معنی که در هر لایه چه مقدار و از چه نوع مواد تغییرفازدهنده استفاده شود، به تبادل گرمایی بین لایه‌های لباس و همچنین، به نحوه انتقال حرارت و توزیع دما در لایه‌های لباس بستگی دارد. بنابراین، با طراحی مناسب لایه‌ها و مهندسی چیدمان آن‌ها می‌توان با انتخاب بهینه نوع و مقدار مواد تغییرفازدهنده در هر یک از لایه‌های لباس، حداکثر بهره‌وری از لباس را در شرایط خواسته شده به عمل آورد.

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 این تحقیق از لایه‌های حاوی و بدون مواد تغییرفازدهنده با مشخصات جدول 1 استفاده شده است:

جدول1- ساختار و ویژگی‌های  نمونه پارچه‌ها

همه لایه‌های پارچه دارای ساختار مشابه بوده و میكروكپسول‌های حاوی مواد تغییرفازدهنده‌ به روش آغشته‌سازی (Impregnation) درون لایه‌ها بكارگرفته شده است. از دو نوع مواد تغییرفازدهنده‌ اكتادكان و هگزادكان و با درصدهای مختلف (طبق جدول 1)، نمونه‌ها تهیه شده است. جزئیات مشخصات لایه‌ها در جدول 1 نیز ارائه گردیده 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 1 مقایسه نتایج آزمون DSC را برای نمونه بدون مواد تغییرفازدهنده و نمونه حاوی مقدار بیشینه مواد تغییرفازدهنده نشان می‌دهد. انرژی ذخیره شده نمونه کد 202، برابر با J/gr 33/79 می‌باشد.

شکل2-  نتایج DSC: الف) پارچه بدون مواد تغییرفازدهنده ب) پارچه کد 202 حاوی 85% میکروکپسول مواد تغییرفازدهنده

ارزیابی پویا(دینامیکی) رفتار حرارتی

در اين پژوهش، دستگاه ارزيابی ديناميكی انتقال حرارت – شبيه ساز پوست بدن جهت ارزيابی رفتار حرارتی بين لايه‌های منسوج و همچنين تأثير آن‌ها روی دمای سطح پوست، طراحی 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 2 مقایسه نتایج دمای سطح پوست را در نمونه‌های مختلف نشان می‌دهد.

شکل2- نمودار افت دما- زمان نمونه‌های مختلف

همانگونه که شکل 2 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 1، کدهای 201 و 202 در شکل 2 به ترتیب مربوط به نمونه‌های حاوی %60 اکتادکان با دمای ذوب ^°C 28 و %85 اکتادکان با دمای ذوب ^°C 28 می‌باشند. همچنین، کدهای 203 و 204 در شکل 2 به ترتیب مربوط به نمونه‌های حاوی %60 هگزادکان با دمای ذوب ^°C 18 و %85 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.