大學生材料科技論文
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篇一
新型服裝材料――相變材料
[摘要] 本文論述了相變材料的特點及作用機理,重點說明了微膠囊相變材料在服裝中的應用及調溫過程,並展望了其良好前景。
[關鍵詞] 相變材料 微膠囊相變材料 前景
1 相變材料
相變材料PCMsPhase Change Materials是指在一定狹窄明確的溫度範圍,即通常所說的相變範圍內可以改變物理狀態,如從固態轉變為液態或從液態變為固態的材料。在相變過程中,體積變化很小,熱焓高,因此以潛熱形式從周圍環境吸收或釋放大量熱量,熱的吸收量或釋放量比一般加熱和冷卻過程要大得多,而此時PCMs的溫度保持不變或恆定。在服裝上應用時,相轉變溫度範圍應和人體溫度變化範圍相似,以利於保持恆定的面板溫度。我們最常見的相變材料就是水:當溫度低至0℃時,水由液態變為固態,當溫度高於0℃時,水由固態變為液態。在結冰過程中吸入並儲存了大量的冷能量,而在溶解過程中會吸收大量的熱能量。冰的數量體積越大,溶解過程需要的時間越長。這是相變材料的一個最典型示例。從水的例子中可以看出,相變材料的這種特性在節能,溫度控制等領域有著極大的實踐意義,實際上可作為能量儲存器來使用。因此,相變材料及其應用已成為廣泛的研究課題。對紡織領域來講,相變材料尚屬新型材料,其在紡織服裝領域內大有用武之地。該材料可廣泛應用於製冷業、長期室外作業人員,以及特種行業,如坦克兵、航天員的服裝使用材料。相變材料主要分為三種,由於相變材料在液態時易於流動散失,在服裝上使用必須採用微膠囊相變材料。
2 相變材料的分類
2.1無機相變材料和有機相變材料
硫酸鈉基防護服可以用到無機相變材料,其相變溫度為15℃,相變焓為18OJ/g,目前已進入實際應用階段。該材料以硫酸鈉鹽為主相變劑,用新增劑來控制材料的熔點,改善材料的形態,提高材料的綜合性能,找出影響材料效能因素及最佳工藝控制條件,掌握了材料的加工工藝、製備溫度、儲存方法等手段。大量研究表明,所得到的材料在保證了必要相變溫度的條件下,仍有較大的相變焓,同時,在長期使用的過程中也確實表現出了較好的穩定性。
經大量研究表明,以醇為主相變劑,高階烷烴等為輔相變劑,得到相變溫度為23℃,相變焓達到200J/g-220J/g的有機相變材料,是一種較好的製備方法;通過用DSC和TG對相變材料的熱穩定性、重複穩定性和膨脹性進行的分析表明,該材料是一種膨脹率低、穩定性很好的相變材料。
2.2微膠囊相變材料
相變材料在液態時易於流動散失,在服裝上使用必須採用微膠囊相變材料MPCMsMicroencapsulation of Phase Change Materials。微膠囊相變材料是將微膠囊技術應用於相變材料而形成的新型複合相變材料,微膠囊化是將直徑1～1000um的固體或液體粒子埋入硬殼的物理和化學過程。得到微膠囊的物理工藝包括噴射烘乾、離心流動床或塗層。化學工藝是通過介面縮聚以聚醯胺或聚亞氮酯為殼,反應原理是通過使用水溶聚合物和高速攪拌機將一種油類乳化在水中形成所需型別的穩定乳狀液。加入可溶的三聚氰胺甲醛樹脂。由於加入酸的作用引起縮聚反應,交聯樹脂開始形成,並且沉積在油滴和水相介面之間。在殼壁硬化期間,就形成了微膠囊結構和聚合物油滴膠囊的水中分散。
紡織品使用的MPCMs直徑為人發直徑的1/2,有時只有人發直徑的1/20,這些小容器非常象裝滿了相變材料的乒乓球,殼體不僅小,而且經久耐用,可以填充卻不會溶解。這種MPCMs可放人纖維和泡沫中,或作為塗層材料用於多種織物和泡沫材料,並且能經受進一步的紡織機械加工、熱和化學處理等。
3 相變材料的作用機理
當環境溫度或人體面板溫度達到服裝內MPCMs溶點,其吸熱從固態轉化為液態。在服裝層內產生短暫的致冷效果見圖1。熱能可能來自人體也可能來自外界溫暖環境。一旦PCMs完全溶解,儲能結束。如果PCMs服裝在低於PCMs冰點溫度的寒冷環境中使用,服裝溫度低於轉換溫度,液態MPCMs將變回固態,釋放出能量提供短暫的加熱效果見圖2。這種熱轉換在服裝內起緩衝作用,減小面板溫度的變化,延長穿著者的熱舒適感。
如果在服裝上使用,希望其相變溫度在33℃。但是所使用的MPCMs相變溫度不一定就是33℃,而是比這一溫度高几度和低幾度的MPCMs混合後應用於服裝。只有這個溫度下,一半的固態相變材料吸熱溶解成液態,不至使面板溫度過高,而另一半的液態放熱凝固成固態,釋放熱量,不至使面板溫度下降過低。
4 微膠囊相變材料服裝
由於相轉變過程比較短暫,在恆溫環境中PCMs沒有任何作用。因此,穿著者必須活動以引起PCMs面料的溫度變化或者經常在有溫差的兩個環境中工作,以保證PCMs發生相變吸熱或放熱。此外,含PCMs的服裝層必須具有熱量傳導作用,能讓PCMs感受到溫度的變化。
4.1改變環境溫度
有些人需要不停地從冷庫或運輸車到室內或外界溫暖環境工作。PCMs防護服可以為這些在溫度變化環境中工作的人提供舒適。在這些使用場合中,PCMs的相變溫度應該設定為溫暖環境時液態,寒冷環境時固態。
PCMs面料的研發與生產人員聲稱該面料具有動態保曖性,在寒冷環境中比常規保曖材料的保曖時間更長,並且使用PCMs面料作戶外服裝可減小重量和體積。毫無疑問,相變材料從液態到固態要釋放能量,然而只有PCMs在服裝生成足夠的熱量以彌補人體向環境散失的熱量時,其才能有效改善服裝的熱舒適性。即使所有的服裝均使用PCMs,當穿著者從室內到室外時,也並不是所有的PCMs發生相變。熱量從溫暖的人體流向冷環境,從面板表面經服裝層到外界環境存在著溫度梯度。即使人進入更冷環境,但內衣層與人體皮溫接近,PCMs仍處於液態。而服裝外層的PCMs已遇冷固化放出熱量。PCMs固化後,放熱就停止了。因此,有一定厚度的保曖系統在持續冷暴露時能有效維持熱舒適性。
當人們穿著防火服在高溫下短時間作業時,PCMs可以提供短暫的致冷效果維持人體舒適和安全。此時並不需要PCMs凝固放熱,石蠟基PCMs的加入會增加面料的可燃性,所以只能在防火面料裡層使用。
有些工作需要不時的接觸冷或熱的物體,因此PCMs手套的相變溫度設定在環境溫度與冷或熱物體的溫度之間。如果工人反覆的短時間接觸物體,PCMs的相變就可以發生,溫度緩衝作用得以繼續,手套裡層必需使用薄面料。
4.2改變面板溫度
某些工作和運動要求人們時動時靜。人體活動越劇烈,產熱越多。只有活動程度和代謝產熱發生變化時PCMs才能改善人體的舒適度。PCMs服裝能吸收人體由於運動產生的大量體熱,提供暫時的涼爽效果。當人體處於安靜狀態時PCMs重新固化放出熱量假設空氣溫度低於面板溫度,這就稱為PCMs的熱調節效應。在這種情況下使用的PCMs的轉變溫度必須設定在人體代謝產熱變化時最高與最低皮溫之間。在運動時人體的面板溫度變化只有幾度,但是卻會產生大量的體熱。例如,在下坡滑雪運動中的產熱量是靜坐時的5倍,但面板溫度卻沒有成比例增加。首先面板表面的血管舒張,面板溫度略微升高,熱量慢慢散失到周圍環境中。然而劇烈活動後這種生理散熱無法去除過多體熱,人體就開始出汗,汗水蒸發會帶走熱量,提供自然的涼爽感。因此PCMs只有在靠近面板層發生相變才能有涼爽效果,如果在外層就不會有任何作用。
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人體不同部位的面板溫度不同。頭部平均溫度高於腳部。此外,面板溫度的個體差異範圍,通常高於同一人運動後面板溫度的變化範圍。對防護服的設計者來說,通過面板溫度的微小變化使PCMs具有熱調節效果是一項艱難的工作。
5 研究現狀
自1985年以來,NASA、USAF等機構先後資助了10餘項該方面的研究工作,近年來,中國、法國、德國和韓國等國家也先後資助了這方面的研究工作。
1987年,USAF資助的一個專案,旨在開發用於極端低溫環境中工作的飛行員和地勤人員手套,該專案促成了MicroPCMs用於纖維,該技術獲得了美國專利。1995年NAVY進行了一項研究,將含有MicroPCMs的纖維用於寒冷環境下使用的襪子,這種襪子獨特的熱效能使其能夠免於象普通襪子那樣受壓縮和潮溼的影響。
Outlast、Frisby和3M等紡織公司參與了產品的開發,已經開發出的腈綸纖維製品中含有MicroPCMs,纖維已經用於滑雪服、睡毯、內衣、襪子、手套等的開發。這種纖維織物表現出了靜態和動態兩重保溫效能,在降溫過程中其總體保溫效能高於普通紡織品,而在升溫過程中,其總體保溫效能低於普通紡織品。
ReeBook、Polo等4O餘家知名體育運動用品公司在開發新產品過程中使用了這類紡織品。NSF資助開展的MicroPCMs用於丙綸和滌綸纖維技術也在進行中。
採用MicroPCMs研製出的蓄熱調溫織物目前己用於飛行員手套。還對這種紡織品用於高馬赫數飛機飛行員服裝進行了研究。美國空軍消防研究所實驗了將該類紡織品用於消防服隔熱襯,在100s時間內,該內襯的溫度比普通羊毛內襯低了294K。
1995年美國海軍研究機構的工作人員研究了由蓄熱調溫纖維和3M公司Thinsulate纖維組成的乾式潛水服的保溫效能,取得了令人滿意的效果,這種潛水服的外層採用防水透溼織物,可以使潛水員在3h內保持溫暖,而普通潛水服只能在1h內保持溫暖。潛水員使用的頭盔、手套和襪子也同時得到了開發。
6 前景
MPCMs的出現,引入了熱調節功能紡織品的概念。含MPCMs的服裝有效地改善了人體與服裝間的微氣候。但受當前技術發展的限制,其熱調節功能不是無限的。只有當穿著者不停往返於存在溫差的環境中時,MPCMs服裝的溫度不斷地變化,服裝中的MPCMs才能最大地發揮作用。
MPCMs的研究在一些方面已經獲得了很好的應用,無論從提高效率角度考慮,還是從環保角度考慮,MPCMs的未來發展前景都是光明的,可以預見,隨著MPCMs製造技術的進一步成熟,它將對我們的生活發揮越來越重要的作用。
參考文獻:
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篇二
工程專案材料與材料管理
1、前言
專案、專案週期與工程專案管理，所謂專案, 就是在一定的約束條件包括時間、費用和資源下，為實現特定目標而進行的，由一系列具有明確起點和終點的協調和控制活動所構成的唯一過程。而這一過程對整個專案而言是指從專案立項到建成投產並完成最後評估,也就是所說的專案的週期。
專案週期可以分成4個大的階段，即概念階段、規劃階段、實施階段和結束階段。每個階段通常又由5個管理過程——啟動、計劃、實施、控制與結束過程組成。這些過程之間不是完全獨立的,而是相互影響、相互作用的,有的過程之間甚至是相互重疊的，而且過程之中含有過程。專案整個週期實際上是一個視具體情況不同而又複雜程度各異的一個過程網路。因此，工程專案管理就是對工程專案週期全過程的管理,工程專案的材料管理就是對工程專案週期全過程有關材料進行的有效管理。
2、
工程專案材料是指工程專案實施過程中必需的全部裝置和全部所需材料的總和，人們通常所說的材料管理與控制主要是指對材料的數量和進度能否滿足施工，安裝需要所進行的管理和控制。因此,材料控制週期通常只包括從工程設計請購開始到材料運抵施工現場並在施工中交付使用這段時間。我認為這是狹義的材料管理,它對適時按量滿足現場施工無疑起到十分重要的作用。但是,為了使得最終的工程產品投資少、質量優、效益好、操作維修方便，僅僅進行狹義材料管理是遠遠不夠的，必須進行廣泛意義上的材料管理與控制。廣義材料管理是指在整個專案週期全過程中都必須對材料進行有效的管理與控制。事實上,工程專案的策劃與實施過程在很大程度上就是在一定的時間和資源等約束條件下,為實現特定的工程產品而進行的對材料的研究、設計、組合、選擇、購置、施工直至生產除錯的過程,材料管理與控制貫穿於工程專案週期的全過程。
3、工程專案週期的材料管理
工程專案的材料管理與控制工作貫穿於工程專案的全過程的各個階段，涉及到與專案有關的所有部門和專業的相關人員。這些專業人員必須在一個共同的目標下，按照統一的要求各司其職，協調一致，共同完成。
3.1概念階段
眾所周知，在付諸實施之前，任何一個專案都有一個至關重要的前期策劃過程,工程專案也毫不例外。通過這一過程，要對上什麼專案,為什麼要上該專案,能否上該專案，上該專案需要具備什麼樣的條件以及該專案實施以後可能帶來什麼樣的效果等問題，從技術、經濟和社會各個方面進行研究、策劃和決策。而研究和確定工程專案的技術來源是這一過程中的重要一環,不僅要研究所需技術的工藝流程、控制方法是否先進可靠,更重要的是要研究是否有合適可靠的材料來實現,否則,再先進的工藝及控制方案也難以付諸實現。
3.2規劃階段
專案規劃階段的工作是為專案的下一步實施做全面的規劃,包括實施方案的研究、進度計劃的確定、風險評估與對策等。在這一階段有關材料管理主要應作好3個方面的工作:①在專案組織中,應包括專門的材料管理與控制人員,材控人員的及早介入對工程專案的實施具有指導作用;②從資源的角度對相關材料供應的來源及可靠性作進一步研究;③對可能存在的風險進行評估並找出相應的對策措施。
3.3實施階段
工程專案的實施階段主要包含工程設計、採購、施工和試行等過程。從工程設計開始工程專案就進入實施階段.
3.4結束階段
意味著工程公司對業主在該專案的義務已履行完畢。但是,工程公司的材料管理工作並沒有結束。為了明確已完成專案的產品是否達到預期的目標、其中所採用的裝置材料的實際執行狀況是否與當時的預期相吻合,在工程產品通過考核交付業主並執行一段時間後,應該組織相關人員進行現場回訪,收集生產執行的第一手資料,以便對整個專案進行後評價,從而完成整個專案週期全過程的材料管理工作。
4、各階段材料管理之間的相互關係
以上分階段和過程論述了工程專案週期各個階段有關專案材料管理的主要工作。實際上,各個階段材料管理工作是一個統一的有機體,它們相互聯絡又相互影響,每個階段工作的好壞都與專案的成敗相聯絡,每一個階段工作的成功是專案最後成功的保證。因此,專案週期全過程的材料管理是一個系統工程,要用系統的觀點和方法來進行。
5、構想
材料需求計劃隨著市場競爭的加劇,如何在降低成本、提高產品質量的同時,又能夠縮短工期 。 為此,我們在討論工程專案材料管理時,自然應該涉及MRP和CIMS在工程專案材料管理上的應用問題。由於工程專案的唯一性特徵,決定著它對MRP和CIMS的應用與一般企業特別是機器製造行業有非常大的差別,必須結合工程專案的特殊性來考慮。
當一個工程專案經過論證立項，確定了專案的目標之後,就可以說此工程產品的獨立需求就已確定。而有關裝置材料的需求則由實施階段的設計過程確定;提前期由專案主計劃及專案的採購、施工及試行計劃確定。由於工程專案的唯一性,所以,從整體上不存在庫存問題,重要的是確保裝置材料的按計劃到貨。但在專案實施的一些過程中，為了保證專案的主計劃的實現，則需要在一定時期內保持一定量的材料，主要是一些必備材料的庫存。
6、結束語
工程專案材料管理是廣義的材料管理，即專案週期全過程的材料管理。只有這樣才能實現專案的目標，使專案達到最高的利益。